有源电力滤波器的改进空间矢量单周控制方法及装置

摘要

本发明属于有源电力滤波器领域。为提供一种整个控制系统实现简化的有源电力滤波器的改进空间矢量单周控制方法，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，一种有源电力滤波器的改进空间矢量单周控制方法，将基于单周控制思想有源电力滤波器主电路方程简化；由三相电源电压区域划分条件判断表判别三相交流电的电压矢量位于区间I、II或III中，由判别结果得到相应相上桥臂开关状态d

说明书

技术领域

本发明属于有源电力滤波器领域，具体涉及有源电力滤波器的改进空间矢量单周控制方 法及装置。

背景技术

在谐波抑制方法中，有源电力滤波器相比无源电力滤波器有着明显的优势，如可以对各 次谐波同时进行补偿、可以对变化的无功功率进行实时补偿等，使其逐渐成为消除谐波的主 要手段。但传统的有源电力滤波器均需要先检测出谐波电流，然后再应用滞环电流控制、三 角波电流控制等控制方法输出与之相同的补偿电流，因此整个控制系统的设计较为复杂。

发明内容

为克服现有技术的不足，在传统单周控制基础上进一步改进，提供一种整个控制系统实 现简化的有源电力滤波器的改进空间矢量单周控制方法，为达到上述目的，本发明采取的技 术方案是，一种有源电力滤波器的改进空间矢量单周控制方法，借助于下列装置实现：三个 全控开关管中每个管子的发射集对应连接到另外三个开关管中每个管子的集电极上，每个开 关管形成一个桥臂，前述发射极与集电极的连接点为桥臂的连接中点，另外三个开关管的发 射极连接在一起并通过两个串接的电阻连接到所述三个开关管连接在一起的集电极上，每个 开关管的发射极各连接一个二极管的正极，二极管的负极连接到发射极与其相连的开关管的 集电极，所述连接在一起的发射极、集电极之间设置有电容；给非线性负载供电的三相交流 电每相分别通过一个电感对应连接到前述一个前述连接中点，三相交流电每相分别连接到基 于空间矢量单周控制运算器，所述两个电阻之间的连接点也连接到所述运算器上；

将基于单周控制思想有源电力滤波器主电路方程简化为：

$\left(\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{sa}}\\ v_{\mathrm{sb}}\\ v_{\mathrm{sc}}\end{array}\right)=\frac{1}{3}{V}_d\left(\begin{array}{ccc}2& -1& -1\\ -1& 2& -1\\ -1& -1& 2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{d}_a\\ d_b\\ d_c\end{array}\right)---\left(6\right)$

上式中v_sa、v_sb、v_sc为三相交流电压，d_a、d_b和d_c分别对应为在连接中点上方的一个桥 臂的占空比，V_d为电容两端电压；

三相电源电压区域划分条件判断表

  区域   I   II   III   条件1   v_sb-v_sc＞0   v_sc-v_sa＞0   v_sa-v_sb＞0   条件2   v_sc-v_sa≤0   v_sa-v_sb≤0   v_sb-v_sc≤0

根据三极管不同的开关状态组成六个基本空间电压矢量V₁-V₆，每个空间电压矢量间夹角 为60度，设三位数字表示桥臂通断状态，为“1”时表示导通，为“0”表示关断，第一至第三位 依次代表三相交流电的第一至第三项，则六个基本空间电压矢量V₁-V₆依次逆时针排列，每 个空间电压矢量对应的桥臂通断状态依次为(100)、(110)、(010)、(011)、(001)、(101)， V₁逆时针至V₃区域为区间I，V₃逆时针至V₅区域为区间II，V₅逆时针至V₁区域为区间III， 由三相电源电压区域划分条件判断表判别三相交流电的电压矢量位于区间I、II或III中，由 判别结果得到相应相上桥臂开关状态d_a、d_b或d_c，并代入公式(6)，得到在I、II、III区间 的有源电力滤波器单周控制方程依次如下：

$\left(\begin{array}{c}{d}_a{V}_m=2R_s{i}_{\mathrm{sa}}+R_s{i}_{\mathrm{sb}}\\ d_b{V}_m=2R_s{i}_{\mathrm{sb}}+R_s{i}_{\mathrm{sa}}\\ d_c=0\end{array}\right)---\left(12\right)$

$\left(\begin{array}{c}{d}_a=0\\ d_b{V}_m=2R_s{i}_{\mathrm{sb}}+R_s{i}_{\mathrm{sc}}\\ d_c{V}_m=2R_s{i}_{\mathrm{sc}}+R_s{i}_{\mathrm{sb}}\end{array}\right)---\left(\text{13}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{d}_a{V}_m=2R_s{i}_{\mathrm{sa}}+R_s{i}_{\mathrm{sc}}\\ d_b=0\\ d_c{V}_m=2R_s{i}_{\mathrm{sc}}+R_s{i}_{\mathrm{sa}}\end{array}\right)---\left(14\right)$

式中V_m是一个与实际功率正比的物理量，通过对有源电力滤波器直流侧电压偏差Δv_d进 行比例积分PI调节来调控V_m，在调节过程中需保证直流侧电压V_d保持不变，即得到在当前 负载条件下所需的有功功率。

通过对有源电力滤波器直流侧电压偏差Δv_d进行比例积分PI调节来调控V_m具体为：由I、 II、III区间的有源电力滤波器单周控制方程及单周控制的有源电力滤波器各区间参数选择表 得到电流i_s1、i_s2

单周控制的有源电力滤波器各区间参数选择表

  区间   R_s.i_s1  R_s.i_s2  S_a  S_b  S_c  I   R_s.i_sa  R_s.i_sb  s₁  s₂  0   II   R_s.i_sb  R_s.i_sc  0   s₁  s₂  III   R_s.i_sc  R_s.i_sa  s₂  0   s₁

首先按照三相电源电压区域划分条件判断表中三相电源电压区域划分条件判断表判别三 相交流电的电压矢量位于区间I、II或III中并生成选择信号；根据选择信号按照单周控制的 有源电力滤波器各区间参数选择表选择对应的相电流；根据选择信号和单周控制的有源电力 滤波器各区间参数选择表选择每个三极管对应的开关驱动信号，表中S_a代表三相中的一相上 桥臂的开关信号s_ap，由于其上下桥臂互补导通，则该相下桥臂对S_a取反即可得到下桥臂的触 发脉冲信号s_an，其他两相依次类似，s₁、s₂分别为R_s.i_s1、R_s.i_s2共同作用于两个RS触发器S 端，该两个触发器Q端输出的开关管的触发脉冲信号。

一种有源电力滤波器的改进空间矢量单周控制装置，包括，三个全控开关管中每个管子 的发射集对应连接到另外三个开关管中每个管子的集电极上，每个开关管形成一个桥臂，前 述发射极与集电极的连接点为桥臂的连接中点，另外三个开关管的发射极连接在一起并通过 两个串接的电阻连接到所述三个开关管连接在一起的集电极上，每个开关管的发射极各连接 一个二极管的正极，二极管的负极连接到发射极与其相连的开关管的集电极，所述连接在一 起的发射极、集电极之间设置有电容；给非线性负载供电的三相交流电每相分别通过一个电 感对应连接到前述一个前述连接中点，三相交流电每相分别连接到基于空间矢量单周控制运 算器，所述两个电阻之间的连接点也连接到所述运算器上，此外，还包括基于空间矢量单周 控制运算器器，该运算器包括：矢量区间划分部分，用于根据如权1所述的用于三相电源电 压区域划分条件判断表判断判别三相交流电的电压矢量位于区间I、II或III中；电流选择部 分，用于根据三相电源相电流、前述判别结果，形成两路相电流输出，每路相电流输出依次 经放大器、加法器输出到对应的放大器的同相输入端，每路相电流输出还分别连接到另一路 电流输出前述依次经过的加法器上，对应的放大器的输出端连接到对应的RS触发器的S端， 对应的RS触发器的Q’端经与门连接到可复位积分器，电容电压与参考电压共同经加法器、 比例调节器输出到可复位积分器，可复位积分器输出到对应的放大器的反相输入端，时钟源 连接到RS触发器的R端；逻辑选择电路根据RS触发器的输出及相交流电的电压矢量所在区 间的判别结果输出桥臂驱动信号。

本发明具有如下技术效果：

1.基于改进空间矢量单周控制方法相对于传统的空间矢量单周控制方法，空间矢量区域 选择电路、电流选择电路以及逻辑选择电路部分都大大简化，因而本发明整体结构得到简化、 优化。

2.采用本发明能使有源电力滤波器整个控制系统设计更加简单，并取得良好控制效果， 采用补偿后电流总畸变率下降到5.00％，满足了国家标准电能质量公用电网谐波中的规定。

附图说明

图1改进空间矢量单周控制APF原理图。

图2变流器空间电压矢量分区。

图3基于改进空间矢量运算单周控制原理图。

图4补偿前后A相电源电流波形图3为PTAT电流源电路图。图中，a)补偿前A相电 源电流波形，b)补偿后A相电源电流波形。

图5补偿前后A相电源电流FFT频谱图。图中，a)补偿前A相电源电流FFT频谱，b) 补偿后A相电源电流FFT频谱。

具体实施方式

(1)有源电力滤波器主电路方程建立：

图1中，设变流器输出端三相相电压分别为v_ca、v_cb、v_cc，对于三相对称系统，描述变流 器主电路的数学方程可表示为

$\left(\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{ca}}\\ v_{\mathrm{cb}}\\ v_{\mathrm{cc}}\end{array}\right)=L\left(\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ca}}}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{cb}}}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{cc}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{sa}}\\ v_{\mathrm{sb}}\\ v_{\mathrm{sc}}\end{array}\right)---\left(1\right)$

图1中三相逆变器有6个功率开关管，其中每个桥臂上的开关工作在互补状态，因此可 以定义开关函数为

(i＝a，b，c)    (2)

则变流器主电路输出端的电压可表示为

$\left(\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{ca}}\\ v_{\mathrm{cb}}\\ v_{\mathrm{cc}}\end{array}\right)=\frac{1}{3}{V}_d\left(\begin{array}{ccc}2& -1& -1\\ -1& 2& -1\\ -1& -1& 2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right)---\left(3\right)$

现假设在一个开关周期T_s内，主电路变流器abc三相上桥臂导通的时间分别为d_aT_s、d_bT_s、 d_cT_s，在各相上、下桥臂开关管互补导通的前提先，则下桥臂导通的时间分别为(1-d_a)T_s、 (1-d_b)T_s和(1-d_c)T_s，其中d_a、d_b和d_c分别是abc三相上桥臂导通的占空比。在一个开关周 期内，式(3)可写出

$\left(\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{ca}}\\ v_{\mathrm{cb}}\\ v_{\mathrm{cc}}\end{array}\right)=\frac{1}{3}{V}_d\left(\begin{array}{ccc}2& -1& -1\\ -1& 2& -1\\ -1& -1& 2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{d}_a\\ d_b\\ d_c\end{array}\right)---\left(4\right)$

把式(4)代入式(1)可得

$\frac{1}{3}{V}_d\left(\begin{array}{ccc}2& -1& -1\\ -1& 2& -1\\ -1& -1& 2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{d}_a\\ d_b\\ d_c\end{array}\right)=L\left(\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ca}}}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{cb}}}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{cc}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{sa}}\\ v_{\mathrm{sb}}\\ v_{\mathrm{sc}}\end{array}\right)---\left(5\right)$

(2)基于单周控制思想有源电力滤波器主电路方程简化：

对于有源电力滤波器出线电感两端的电压Ldi/dt，假设在一个开关周期T_s的开通阶段电 流增加，则在关断阶段电流减小，由于开关频率足够大，可认为在一个开关周期内电感两端 的电压Ldi/dt为0，则由式(5)可得

$\left(\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{sa}}\\ v_{\mathrm{sb}}\\ v_{\mathrm{sc}}\end{array}\right)=\frac{1}{3}{V}_d\left(\begin{array}{ccc}2& -1& -1\\ -1& 2& -1\\ -1& -1& 2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{d}_a\\ d_b\\ d_c\end{array}\right)---\left(6\right)$

(3)改进空间矢量划分及判定依据：

如图2所示为有源电力滤波器变流器空间电压矢量分布图，根据变流器开关管不同的开 关状态组成图中六个基本空间电压矢量V₁～V₆，例如V₁(100)中“100”分别代表a相上桥臂导 通、b相上桥臂关断及c相上桥臂关断。

设电源相电压为v_sa、v_sb、v_sc，将三相电压从abc坐标系变换到互成60度的xy坐标的变 换式如式(7)所示

$\left(\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{sx}}\\ v_{\mathrm{sy}}\end{array}\right)=C\left(\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{sa}}\\ v_{\mathrm{sb}}\\ v_{\mathrm{sc}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& -1& 0\\ 0& 1& -1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{sa}}\\ v_{\mathrm{sb}}\\ v_{\mathrm{sc}}\end{array}\right)---\left(7\right)$

令电源电压矢量V_s＝v_sxx+v_sxy，则由图4可得出电源电压矢量所在区域的判定条件见表 1所示。

表1三相电源电压划分六个扇区时判断条件

 扇区   1   2   3   4   5   6  条件1   v_sx＞0   v_sx＜0   v_sx＜0   v_sx＜0   v_sx＞0   v_sx＞0  条件2   v_sy＞0   v_sy＞0   v_sy＞0   v_sy＜0   v_sy＜0   v_sy＜0  条件3   --   |v_sx|＜|v_sy|   |v_sx|＞|v_sy|   --   |v_sx|＜|v_xy|   |v_sx|＞|v_sy|

图2中，由于区域1、2中基本空间矢量V₁～V₃的c相均为0，因此可将区域1、2合并为 区域I，同理区域3、4和区域5、6分别合并为区域II、III。由表1中判定条件并将各变量 进行反变换到abc坐标系可得出在新的划分区域下的判定条件，如表2所示。

表2三相电源电压区域划分条件判断

  区域   I   II   III   条件1   v_sb-v_sc＞0   v_sc-v_sa＞0   v_sa-v_sb＞0   条件2   v_sc-v_sa≤0   v_sa-v_sb≤0   v_sb-v_sc≤0

(4)有源电力滤波器改进空间矢量单周控制方法实现：

假设电源电压矢量位于图2所示I区内，则可以看出c相上桥臂始终关断，即d_c＝0。 将d_c＝0代入式(6)中可得到

$\left(\begin{array}{c}{V}_d{d}_a=2v_{\mathrm{sa}}+v_{\mathrm{sb}}\\ V_d{d}_b=2v_{\mathrm{sb}}+v_{\mathrm{sa}}\\ d_c=0\end{array}\right)---\left(8\right)$

单周控制的三相有源电力滤波器的控制目标是实现整个电路单位功率因数控制，即补偿 后使电源的总负载呈电阻性，设总电阻为R_e，则有

$\left(\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{sa}}=R_e{i}_{\mathrm{sa}}\\ v_{\mathrm{sb}}=R_e{i}_{\mathrm{sb}}\\ v_{\mathrm{sc}}=R_e{i}_{\mathrm{sc}}\end{array}\right)---\left(9\right)$

将式(9)代入式(8)可得

$\left(\begin{array}{c}{d}_a{V}_d/R_e=2i_{\mathrm{sa}}+i_{\mathrm{sb}}\\ d_b{V}_d/R_e=2i_{\mathrm{sb}}+i_{\mathrm{sa}}\\ d_c=0\end{array}\right)---\left(10\right)$

设采样电阻为R_s，并令

$V_m=\frac{R_s}{R_e}{V}_d---\left(11\right)$

将式(11)代入式(10)得

$\left(\begin{array}{c}{d}_a{V}_m=2R_s{i}_{\mathrm{sa}}+R_s{i}_{\mathrm{sb}}\\ d_b{V}_m=2R_s{i}_{\mathrm{sb}}+R_s{i}_{\mathrm{sa}}\\ d_c=0\end{array}\right)---\left(12\right)$

式(12)中V_m应该是一个与实际功率正比的物理量，因此V_m可通过对有源电力滤波器直 流侧电压偏差Δv_d进行PI调节，在调节过程中既保证直流侧电压V_d稳定在参考电压V_dref附近 保持不变，也得到了在当前负载条件下整个系统所需的有功功率。式(12)即为有源电力滤波 器单周控制在I区域的控制方程，同理使用相似方法可以得到在II、III区间的有源电力滤波 器单周控制方程，分别见式(13)、式(14)所示。

$\left(\begin{array}{c}{d}_a=0\\ d_b{V}_m=2R_s{i}_{\mathrm{sb}}+R_s{i}_{\mathrm{sc}}\\ d_c{V}_m=2R_s{i}_{\mathrm{sc}}+R_s{i}_{\mathrm{sb}}\end{array}\right)---\left(\text{13}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{d}_a{V}_m=2R_s{i}_{\mathrm{sa}}+R_s{i}_{\mathrm{sc}}\\ d_b=0\\ d_c{V}_m=2R_s{i}_{\mathrm{sc}}+R_s{i}_{\mathrm{sa}}\end{array}\right)---\left(14\right)$

在I、II、III区域电源电流i_s1、i_s2选择，及abc三相开关管开关逻辑选择见表3所示， 其中i_sa、i_sb、i_sc为从电源侧看到的三相电源电流，S_a代表a相上桥臂的开关信号s_ap，由于其 上下桥臂互补导通，则a相下桥臂对S_a取反即可得到下桥臂的触发脉冲信号s_an，其他bc相 依次类似，s₁、s₂分别为图3中RS触发器Q端输出的开关管的触发脉冲信号。

当电源电压矢量位于区间I时，区间选择信号设为1，其他类推，主要用于判断图3中i_s1、 i_s2的选择，即i_s1是选择A相电流还是B相或C相，以及判断图1中六个开关管的触发信号 是选择触发器1的Q端s₁还是触发器2的Q端s₂，其选择方法见表3。

表3单周控制的有源电力滤波器各区间参数选择

  区间   R_s.i_s1  R_s.i_s2  S_a  S_b  S_c  I   R_s.i_sa  R_s.i_sb  s₁  s₂  0   II   R_s.i_sb  R_s.i_sc  0   s₁  s₂  III   R_s.i_sc  R_s.i_sa  s₂  0   s₁

三相APF系统控制电路原理如图3所示，首先按照表2中电压空间矢量判定条件区间选 择电压矢量所处的区间并生成区间选择信号，作为电流选择电路和逻辑电路的选择信号；根 据区间选择信号电流选择电路按照表3选择对应的相电流；开关管的触发脉冲信号逻辑选择 电路根据区间选择信号按表3中选择每个开关管对应的驱动信号。例如，当电源电压矢量位 于区间I时，区间选择信号设为1，则按表3中所示i_s1选择i_sa，i_s2选择i_sb，逻辑选择电路此 时按表3中A相上桥臂开关管触发信号S_a选择s₁，A相上桥臂S_b选择s₂，C相上桥臂S_c选 择0，且各相上下桥臂互补，在其他区间时类比。i_sa、i_sb、i_sc分别为ABC三相电流。V_dref是控 制直流侧电压稳定的参考值，即通过PI调节使实际的直流侧电压稳定在V_dref。

为验证所提出控制方法的正确性和可行性，在MATLAB/SIMULINK建立仿真模型，对 其进行仿真分析。仿真系统参数为：电源线电压380V；频率50Hz；负载为阻感性负载；直 流侧电容电压600V；交流侧进线电感0.5mH，电阻忽略；直流侧电容为1500μF。

仿真系统为三相对称系统，图4(a)为A相补偿前负载电流波形，对电流波形进行FFT 频谱分析，如图5(a)所示，电流总畸变率THD为25.00％，大大超出了国家标准。图4(b) 为A相补偿后电源电流波形，同样对电流波形进行FFT频谱分析，如图5(b)所示。由FFT 频谱分析结果可以看出，补偿后电流总畸变率下降到5.00％，满足了国家标准电能质量公用 电网谐波中的规定。

近年来，随着各种非线性负载特别是电力电子设备在电力系统中广泛应用，电力系统谐 波污染问题日益加重。有源电力滤波器是谐波抑制的有效方式，将基于改进空间矢量单周控 制方法应用到有源电力滤波器控制策略中，使有源电力滤波器整个控制系统设计更加简单。

图3所示的基于改进空间矢量单周控制方法相对于传统的空间矢量单周控制方法，空间 矢量区域选择电路、电流选择电路以及逻辑选择电路部分都大大简化。由如图5所示补偿前 后A相电源电流频谱图可以看出，经该控制方式下有源电力滤波器补偿后，谐波电流畸变率 大大降低，补偿后的电源电流基本符合了国家电能质量公用电网谐波标准中的规定。