基于滯環空間矢量控制的有源電力濾波器的研究

郭麗娜

(鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州 454000)

1 引言

隨著電力電子技術和控制技術的進步，人們越來越傾向于使用有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)來抑制諧波，而影響APF補償效果的是電流控制策略的選擇。

目前用于APF電流控制的較常用的方法是滯環電流控制。它的優點是控制簡單，動態響應快，但也存在使開關頻率變化較大，易引起脈沖電流和開關噪聲等缺點。空間電壓矢量控制具有較高的直流電壓利用率和控制精度。為解決既能保持恒定的開關頻率，有較高的直流電壓利用率，又能同時提高APF性能和效率，本文中將滯環電流控制和空間電壓矢量控制結合起來應用于APF的電流控制中，在取得快速電流響應的同時，降低了開關頻率，提高了系統運行效率。

2 并聯混合型有源電力濾波器

有源電力濾波器構成如圖1所示，其工作原理是:檢測補償對象的電壓和電流，經指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經補償電流發生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償的諧波及無功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。

圖1 并聯混合型有源電力濾波器的構成

3 電流指令的生成

準確、實時地檢測出諧波的電壓或電流信號是APF進行精確補償的關鍵。本文采用的是實時性好、計算量小、精度高且易于實現的基于瞬時無功功率理論的ip－iq法，其原理圖如圖2所示。

圖2 ip－iq運算方式原理圖

圖2中ia、ib、ic為負載三相電流值，根據瞬時無功功率理論計算，可得到瞬時有功電流分量ip和瞬時無功電流分量iq。

式中

最后用三相負載電流減去三相基波電流即得到三相諧波電流iah、ibh、ich。

4 基于滯環的SVPWM電流控制

4.1 控制原理

在有源電力濾波器系統中，APF的主電路采用的是電壓型PWM整流器，如圖3所示。

圖3 三橋臂電壓型整流器拓撲結構

在三相無中線電壓型PWM整流器(VSR)拓撲結構中，如忽略VSR交流側電阻，可得VSR電壓矢量方程為:

式中，V為三相VSR交流側輸出電壓矢量;E為三相電網電動勢矢量;I為三相VSR交流側電流矢量。

若指令電流矢量為I*，則實際的誤差電流矢量為

將式(4)代入式(3)，化簡得

若要獲得零誤差電流響應，則三相VSR輸出參考電壓矢量V*應滿足

然而，對于三相VSR，共有8條空間電壓矢量Vk(k=0，…，7)可以選擇。顯然，式(5)可變為

將式(6)代入(7)，得

式(8)說明，對于給定的具有零誤差電流響應的參考電壓矢量V*，可以選擇合適的三相VSR空間電壓矢量Vk(k=0，…，7)，以控制誤差電流矢量的變化率dΔI/dt，從而控制誤差電流矢量ΔI。

4.2 電壓矢量所在扇區判斷

圖4 波形及V*區域檢測及判斷

式(9)結合圖4(a)，可獲得V*區域判別的邏輯運算關系如式(11)所示。

式中，RV*(1)～RV*(6)為V*區域Ⅰ～Ⅵ邏輯變量。

若V*位于i區域時，RV*(i)=1，否則RV*(i)=0，其中i∈［1 －6］。

5 仿真

采用了Matlab下的Simulink仿真模塊、電力系統simpowersystem工具箱，以及DSP工具箱來建立有源電力濾波器的模塊。仿真時假設非線性負載是三相橋式全控整流器，電網電壓是220V，工頻是50Hz。仿真結果如圖5、圖6所示，仿真結果表明，該控制策略能夠使APF具有很好的跟蹤和補償效果。

圖5 未投入濾波器前A相負載電流波形

圖6 投入濾波器后網側電流波形及其頻譜

6 結論

將滯環電流控制和空間電壓矢量控制結合起來應用于APF的電流控制中，通過整流器空間電壓矢量的實時切換，使電流誤差被限制在一個給定滯環內，從而獲得電流的精確控制。仿真和實驗結果表明了該控制策略的正確性和可行性。

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