一种判断电压矢量空间位置的APF系统及判断方法

摘要

本发明公开了一种判断电压矢量空间位置的APF系统，包括由非线性负载、APF主电路及APF控制电路组成的三相交流线路。本发明还公开了利用该APF系统判断电压矢量空间位置的方法，具体包括以下步骤：步骤1：采集电压空间矢量u*及其在三相静止坐标系abc中的投影ua*、ub*及uc*；步骤2：根据ua*、ub*及uc*的单调增/减趋势将电压空间矢量u*所在区域划分为12个部分；步骤3：将12个部分转化为逻辑表达式，即完成了对电压矢量空间位置的判断。该方法考虑了电压空间矢量us*在三相静止abc坐标系中的单调递增/递减问题，使得电压空间矢量us*所在区域的划分更为精确；在提高了负载供电可靠性的同时，也显著提高了系统的控制精度，从而切实保障了供电质量。

说明书

技术领域

本发明属于配电控制技术领域，涉及一种判断电压矢量空间位置的APF系统，本发明还涉及利用上述系统判断电压矢量空间位置的方法。

背景技术

近年来，随着电力电子装置在电力系统中的大量使用，不断向电网注入无功和谐波成分，致使电网电压出现三相不平衡、闪变及谐波等问题，影响着电网的利用效率和电能质量，甚至还会威胁电网安全。有源电力滤波器(APF)作为一种有效的谐波抑制和无功补偿设备，逐渐成为工程领域争相研究的热门课题。因此，在APF的控制及实现方面展开深入研究，对APF的推广应用具有一定的积极意义。

近年来有学者提出了一种滞环空间矢量控制，利用电流偏差矢量的空间位置和不同开关状态对电流偏差变化率的影响，选择最佳的开关状态。这种控制方法已经在有源电力滤波器、并网逆变器等电力电子相关领域得到了广泛应用。在这种方法中，APF交流侧的电流偏差矢量Δi的变化率与电压空间矢量u_s^*具有直接关系。当u_s^*处于不同位置时，对Δi的影响程度会有所区别。传统方法多利用线电压的正负将u_s^*所在空间划分为6个区域，这种划分方法并未考虑u_s^*在三相静止abc坐标系中的单调递增/递减问题，直接影响开关状态的选择，大大降低了APF系统的控制精度及准确性，也限制了滞环空间矢量控制在APF系统中的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种判断电压矢量空间位置的APF系统，充分考虑了电压空间矢量在坐标系中的单调性，提高了APF系统控制精度。

本发明的另一目的是提供利用上述APF系统判断电压矢量空间位置的方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种判断电压矢量空间位置的APF系统，包括由非线性负载、APF主电路及APF控制电路组成的三相交流线路；

非线性负载采用不控整流电路接负载，通过开关K₀、K₁和电阻R₀实现软启动，通过电感L₀实现滤波并接入三相交流线路中；

APF主电路采用基于功率开关的全控整流桥，直流侧接电容C实现稳压，交流侧通过开关K₂、K₃和和电阻R₁实现软启动，通过电感L₁滤除高频谐波并接入三相交流线路中；

APF控制电路包括与APF主电路、非线性负载和三相交流线路电源侧连接的电压/电流互感器和霍尔传感器；电压互感器输入端接三相交流线路的电源侧，输出端通过过零检测电路和AD采样调理电路与主控CPU连接；电流互感器的输入端分别接APF主电路侧和非线性负载侧的三相交流线路，输出端通过AD采样调理电路与主控CPU连接；主控CPU与驱动电路连接。

本发明第一种技术方案的特点还在于，

主控CPU采用TMS320F28335。

本发明所采用的第二种技术方案是，判断电压矢量空间位置的方法，采用APF系统，其结构为：

包括由非线性负载、APF主电路及APF控制电路组成的三相交流线路；

非线性负载采用不控整流电路接负载，通过开关K₀、K₁和电阻R₀实现软启动，通过电感L₀实现滤波并接入三相交流线路中；

APF主电路采用基于功率开关的全控整流桥，直流侧接电容C实现稳压，交流侧通过开关K₂、K₃和和电阻R₁实现软启动，通过电感L₁滤除高频谐波并接入三相交流线路中；

APF控制电路包括与APF主电路、非线性负载和三相交流线路电源侧连接的电压/电流互感器和霍尔传感器；电压互感器输入端接三相交流线路的电源侧，输出端通过过零检测电路和AD采样调理电路与主控CPU连接；电流互感器的输入端分别接APF主电路侧和非线性负载侧的三相交流线路，输出端通过AD采样调理电路与主控CPU连接；主控CPU与驱动电路连接；

主控CPU采用TMS320F28335；

具体按照以下步骤实施：

步骤1：采集电压空间矢量u^*及其在三相静止坐标系abc中的投影u_a^*、u_b^*及u_c^*；

步骤2：根据步骤1中的u_a^*、u_b^*及u_c^*的单调增/减趋势将电压空间矢量u^*所在区域划分为12个部分，分别为S₁-S₁₂；

步骤3：将步骤2划分的12个部分转化为逻辑表达式，即完成了对电压矢量空间位置的判断。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

步骤1中采集电压空间矢量u^*及其在三相静止坐标系abc中的投影u_a^*、u_b^*及u_c^*通过APF控制电路实现。

步骤2中划分S₁-S₁₂的具体依据为：

在区域S₁中：|u_b^*|<|u_c^*|<|u_a^*|且u_a^*>0；

在区域S₂中：|u_b^*|<|u_a^*|<|u_c^*|且u_c^*<0；

在区域S₃中：|u_a^*|<|u_b^*|<|u_c^*|且u_c^*<0；

在区域S₄中：|u_a^*|<|u_c^*|<|u_b^*|且u_b^*>0；

在区域S₅中：|u_c^*|<|u_a^*|<|u_b^*|且u_b^*>0；

在区域S₆中：|u_c^*|<|u_b^*|<|u_a^*|且u_a^*<0；

在区域S₇中：|u_b^*|<|u_c^*|<|u_a^*|且u_a^*<0；

在区域S₈中：|u_b^*|<|u_a^*|<|u_c^*|且u_c^*>0；

在区域S₉中：|u_a^*|<|u_b^*|<|u_c^*|且u_c^*>0；

在区域S₁₀中：|u_a^*|<|u_c^*|<|u_b^*|且u_b^*<0；

在区域S₁₁中：|u_c^*|<|u_a^*|<|u_b^*|且u_b^*<0；

在区域S₁₂中：|u_c^*|<|u_b^*|<|u_a^*|且u_a^*>0。

步骤3中将12个部分转化为逻辑表达式的具体实施方式为：

步骤3.1：在主控CPU中定义下式：

$>\left(\begin{array}{c}{T}_{ab}=sign[sign({u_a}^{*}-{u_b}^{*})+1]\\ T_{bc}=sign[sign({u_b}^{*}-{u_c}^{*})+1]\\ T_{ca}=sign[sign({u_c}^{*}-{u_a}^{*})+1]\end{array}\right)---\left(1\right)$>

式(1)中，$>sign\left(x\right)=\left(\begin{array}{cc}1& x>0\\ 0& x=0\\ -1& x<0\end{array}\right);$>

当u_a^*≥u_b^*，T_ab＝1；否则T_ab＝0；

当u_b^*≥u_c^*，T_bc＝1；否则T_bc＝0；

当u_c^*≥u_a^*，T_ca＝1；否则T_ca＝0；

步骤3.2：主控CPU利用公式(2)判断u_a^*、u_b^*及u_c^*的正负；

$>\left(\begin{array}{c}{P}_a=sign[sign\left({u_a}^{*}\right)+1]\\ P_b=sign[sign\left({u_b}^{*}\right)+1]\\ P_c=sign[sign\left({u_c}^{*}\right)+1]\end{array}\right)---\left(2\right)$>

式(2)中，当u_a^*≥0，P_a＝1；否则P_a＝0；

当u_b^*≥0，P_b＝1；否则P_b＝0；

当u_c^*≥0，P_c＝1；否则P_c＝0；

步骤3.3：根据所述步骤3.2得出的u_a^*、u_b^*及u_c^*的正负，利用以下公式将12个部分转化为逻辑表达式：

$>S_1=P_a·T_{ab}·\overline{T_{bc}}·\overline{T_{ca}};S_7=\overline{P_a}·T_{ab}·\overline{T_{bc}}·\overline{T_{ca}};$>

$>S_2=\overline{P_c}·T_{ab}·\overline{T_{bc}}·T_{ca};S_8=P_c·T_{ab}·\overline{T_{bc}}·T_{ca};$>

$>S_3=\overline{P_c}·\overline{T_{ab}}·\overline{T_{bc}}·T_{ca};S_9=P_c·\overline{T_{ab}}·\overline{T_{bc}}·T_{ca};$>

$>S_4=P_b·\overline{T_{ab}}·T_{bc}·T_{ca};S_{10}=\overline{P_b}·\overline{T_{ab}}·T_{bc}·T_{ca};$>

$>S_5=P_b·\overline{T_{ab}}·T_{bc}·\overline{T_{ca}};S_{11}=\overline{P_b}·\overline{T_{ab}}·T_{bc}·\overline{T_{ca}};$>

$>S_6=\overline{P_a}·T_{ab}·T_{bc}·\overline{T_{ca}};S_{12}=P_a·T_{ab}·T_{bc}·\overline{T_{ca}}.$>

本发明的有益效果是：一种判断电压矢量空间位置的APF系统在启动瞬间引入了软启动，能够有效避免负载和APF装置启动瞬间的过电压和过电流问题，保证运行的稳定性；判断电压矢量空间位置的方法考虑了APF中电压空间矢量u_s^*在三相静止abc坐标系中的单调递增/递减问题，在提高电压空间矢量区域划分精度的基础上，最大限度的简化了控制系统的设计过程；结合滞环空间矢量控制中开关状态的选取方法，更为精确的u_s^*区域划分有效提高了APF系统控制的准确性；在提高了负载供电可靠性的同时，也显著提高了系统的控制精度，从而切实保障了供电质量。

附图说明

图1是本发明一种判断电压矢量空间位置的APF系统的电路示意图；

图2是本发明中判断电压矢量空间位置的方法中电压空间矢量u^*的区域划分图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种判断电压矢量空间位置的APF系统的结构，如图1所示，包括由非线性负载、APF主电路及APF控制电路组成的三相交流线路；非线性负载采用不控整流电路接负载，通过开关K₀、K₁和电阻R₀实现软启动，通过电感L₀实现滤波并接入三相交流线路中；APF主电路采用基于功率开关的全控整流桥，直流侧接电容C实现稳压，交流侧通过开关K₂、K₃和和电阻R₁实现软启动，通过电感L₁滤除高频谐波并接入三相交流线路中；APF控制电路包括与APF主电路、非线性负载和三相交流线路电源侧连接的电压/电流互感器和霍尔传感器；电压互感器输入端接三相交流线路的电源侧，输出端通过过零检测电路和AD采样调理电路与主控CPU连接；电流互感器的输入端分别接APF主电路侧和非线性负载侧的三相交流线路，输出端通过AD采样调理电路与主控CPU连接；主控CPU与驱动电路连接；主控CPU采用TMS320F28335。

判断电压矢量空间位置的方法，采用一种APF系统，其结构为：

包括由非线性负载、APF主电路及APF控制电路组成的三相交流线路；非线性负载采用不控整流电路接负载，通过开关K₀、K₁和电阻R₀实现软启动，通过电感L₀实现滤波并接入三相交流线路中；APF主电路采用基于功率开关的全控整流桥，直流侧接电容C实现稳压，交流侧通过开关K₂、K₃和和电阻R₁实现软启动，通过电感L₁滤除高频谐波并接入三相交流线路中；APF控制电路包括与APF主电路、非线性负载和三相交流线路电源侧连接的电压/电流互感器和霍尔传感器；电压互感器输入端接三相交流线路的电源侧，输出端通过过零检测电路和AD采样调理电路与主控CPU连接；电流互感器的输入端分别接APF主电路侧和非线性负载侧的三相交流线路，输出端通过AD采样调理电路与主控CPU连接；主控CPU与驱动电路连接；主控CPU采用TMS320F28335；

具体包括以下步骤：

步骤1：通过APF控制电路采集电压空间矢量u^*及其在三相静止坐标系abc中的投影u_a^*、u_b^*及u_c^*；

步骤2：根据所述步骤1中的u_a^*、u_b^*及u_c^*的单调增/减趋势将电压空间矢量u^*所在区域划分为12个部分，分别为S₁-S₁₂，如图2所示；

划分S₁-S₁₂的具体依据为：

在区域S₁中：|u_b^*|<|u_c^*|<|u_a^*|且u_a^*>0；

在区域S₂中：|u_b^*|<|u_a^*|<|u_c^*|且u_c^*<0；

在区域S₃中：|u_a^*|<|u_b^*|<|u_c^*|且u_c^*<0；

在区域S₄中：|u_a^*|<|u_c^*|<|u_b^*|且u_b^*>0；

在区域S₅中：|u_c^*|<|u_a^*|<|u_b^*|且u_b^*>0；

在区域S₆中：|u_c^*|<|u_b^*|<|u_a^*|且u_a^*<0；

在区域S₇中：|u_b^*|<|u_c^*|<|u_a^*|且u_a^*<0；

在区域S₈中：|u_b^*|<|u_a^*|<|u_c^*|且u_c^*>0；

在区域S₉中：|u_a^*|<|u_b^*|<|u_c^*|且u_c^*>0；

在区域S₁₀中：|u_a^*|<|u_c^*|<|u_b^*|且u_b^*<0；

在区域S₁₁中：|u_c^*|<|u_a^*|<|u_b^*|且u_b^*<0；

在区域S₁₂中：|u_c^*|<|u_b^*|<|u_a^*|且u_a^*>0；

步骤3：将步骤2划分的12个部分转化为逻辑表达式，即完成了对电压矢量空间位置的判断；

步骤3中将12个部分转化为逻辑表达式的具体实施方式为：

步骤3.1：在主控CPU中定义下式：

$>\left(\begin{array}{c}{T}_{ab}=sign[sign({u_a}^{*}-{u_b}^{*})+1]\\ T_{bc}=sign[sign({u_b}^{*}-{u_c}^{*})+1]\\ T_{ca}=sign[sign({u_c}^{*}-{u_a}^{*})+1]\end{array}\right)---\left(1\right)$>

式(1)中，$>sign\left(x\right)=\left(\begin{array}{cc}1& x>0\\ 0& x=0\\ -1& x<0\end{array}\right);$>

当u_a^*≥u_b^*，T_ab＝1；否则T_ab＝0；

当u_b^*≥u_c^*，T_bc＝1；否则T_bc＝0；

当u_c^*≥u_a^*，T_ca＝1；否则T_ca＝0；

步骤3.2：主控CPU利用公式(2)判断u_a^*、u_b^*及u_c^*的正负；

$>\left(\begin{array}{c}{P}_a=sign[sign\left({u_a}^{*}\right)+1]\\ P_b=sign[sign\left({u_b}^{*}\right)+1]\\ P_c=sign[sign\left({u_c}^{*}\right)+1]\end{array}\right)---\left(2\right)$>

式(2)中，当u_a^*≥0，P_a＝1；否则P_a＝0；

当u_b^*≥0，P_b＝1；否则P_b＝0；

当u_c^*≥0，P_c＝1；否则P_c＝0；

步骤3.3：根据所述步骤3.2得出的u_a^*、u_b^*及u_c^*的正负，利用以下公式将12个部分转化为逻辑表达式：

$>S_1=P_a·T_{ab}·\overline{T_{bc}}·\overline{T_{ca}};S_7=\overline{P_a}·T_{ab}·\overline{T_{bc}}·\overline{T_{ca}};$>

$>S_2=\overline{P_c}·T_{ab}·\overline{T_{bc}}·T_{ca};S_8=P_c·T_{ab}·\overline{T_{bc}}·T_{ca};$>

$>S_3=\overline{P_c}·\overline{T_{ab}}·\overline{T_{bc}}·T_{ca};S_9=P_c·\overline{T_{ab}}·\overline{T_{bc}}·T_{ca};$>

$>S_4=P_b·\overline{T_{ab}}·T_{bc}·T_{ca};S_{10}=\overline{P_b}·\overline{T_{ab}}·T_{bc}·T_{ca};$>

$>S_5=P_b·\overline{T_{ab}}·T_{bc}·\overline{T_{ca}};S_{11}=\overline{P_b}·\overline{T_{ab}}·T_{bc}·\overline{T_{ca}};$>

$>S_6=\overline{P_a}·T_{ab}·T_{bc}·\overline{T_{ca}};S_{12}=P_a·T_{ab}·T_{bc}·\overline{T_{ca}}.$>

一种判断电压矢量空间位置的APF系统在启动瞬间引入了软启动，能够有效避免负载和APF装置启动瞬间的过电压和过电流问题，保证运行的稳定性；判断电压矢量空间位置的方法考虑了APF中电压空间矢量u_s^*在三相静止abc坐标系中的单调递增/递减问题，在提高电压空间矢量区域划分精度的基础上，最大限度的简化了控制系统的设计过程；结合滞环空间矢量控制中开关状态的选取方法，更为精确的u_s^*区域划分有效提高了APF系统控制的准确性；在提高了负载供电可靠性的同时，也显著提高了系统的控制精度，从而切实保障了供电质量。