基于SVPWM的三電平APF控制系統(tǒng)研究

徐鵬鵬

（河南省商丘市永城市永煤公司新橋煤礦機電科，河南 商丘476600）

0 引言

隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，電力網(wǎng)諧波污染問題得到了廣泛關注。有源電力濾波器（APF）［1］能夠對頻率、幅值均發(fā)生變化的諧波和無功進行動態(tài)實時補償，彌補了傳統(tǒng)無源電力濾波器的不足，成為電網(wǎng)動態(tài)補償研究領域的一個熱點［2］。在高壓、大功率場合，有源電力濾波器通常采用多電平拓撲結構，它能夠產(chǎn)生多階梯的電壓波形，大大降低了電壓波形的畸變率；其開關損耗小、直流側電壓利用率高。綜合考慮到上述優(yōu)點以及控制的復雜性，三電平拓撲結構的有源電力濾波器有很好的應用前景［3］。

本文采用二極管箝位式三電平變換器作為有源電力濾波器主回路，研究了三電平電壓空間矢量調制（SVPWM）方法，在引入平衡因子控制三電平變換器直流側中點電位平衡方法的基礎上進行了改進，提出了模糊PI自適應控制和三電平SVPWM技術相結合的控制方法。三電平拓撲的APF控制系統(tǒng)具有高度非線性、時變不確定性和純滯后的特點，這就決定了傳統(tǒng)PI參數(shù)整定不能滿足實時性的要求。將PI調節(jié)器與模糊控制結合在一起，能夠彌補2種控制器自身的不足，使得系統(tǒng)在保留比例控制器快速動態(tài)響應和積分控制器穩(wěn)態(tài)無靜差控制的基礎上，又增加了控制參數(shù)在線自整定的自適應能力。最后，實驗驗證了該算法的合理性與可行性。

1 三電平并聯(lián)型APF數(shù)學模型

如圖1所示，定義開關函數(shù)Sij（i＝a、b、c，j＝1、2、3），。在三相ABC坐標系下三電平APF的數(shù)學模型為：

式中，Z＝diag［LsLsLsCdCd］；A

X＝［iaibicVdc1Vdc2］T；B＝diag［1 1 1 0 0］；e＝［eaebec0 0］。

2 三電平空間矢量調制算法

2.1 簡化的三電平空間矢量調制算法

圖1 三電平有源濾波器系統(tǒng)結構框圖

若以上、下電容中點為參考點，則三電平變流器輸出的端電壓共有3個狀態(tài)：Udc／2，0，－Udc／2（狀態(tài)值設為1，0，－1），三電平變流器電壓空間矢量圖如圖2所示。它可以分解為6個傳統(tǒng)的兩電平矢量圖，圖2中，6個小六邊形相互覆蓋。

圖2 電壓空間矢量圖(三電平)

簡化三電平空間矢量步驟：（1）判斷參考電壓矢量所在大六邊形區(qū)域S；（2）進行電壓修正，將三電平空間矢量轉換到二電平空間矢量，進行歸一化運算；（3）按照兩電平SVPWM算法計算各相鄰主副矢量作用時間，并確定開關次序。

2.2 三電平APF直流側中點電位平衡優(yōu)化控制

以電壓矢量幅值為根據(jù)，將電壓矢量從大到小分成4類，即大矢量V13～V18、中矢量V7～V12、小矢量V1～V6、零矢量V0。表1列出了小矢量各種冗余狀態(tài)與中點電流之間的關系［4］。

表1 各冗余狀態(tài)對應的中點電流

本系統(tǒng)引入平衡因子f進行中點電位控制，上下直流母線的電壓分別為Vdc1、Vdc2。當Vdc1＞Vdc2時，應該增加正小矢量作用的時間同時增加負小矢量作用的時間，以使上母線電壓降低，下母線電壓升高；當Vdc1＜Vdc2時，應該增加負小矢量作用的時間同時增加正小矢量作用的時間，以使下母線電壓降低，上母線電壓升高；考慮到中點電位的波動造成開關管頻繁動作，造成開關損耗增加的情況，定義一個最小閾值k，當ΔV＞k或ΔV＜k時才調整［5］，其中 ΔV＝Vdc1－Vdc2。

3 諧波電流模糊PI自適應控制器設計

首先定義檢測到的諧波指令電流與實際APF輸出側電流反饋的差值為誤差e，誤差變化率為ec。內(nèi)環(huán)系統(tǒng)實時檢測電流跟蹤誤差e及ec，然后根據(jù)定義好的模糊控制規(guī)則進行模糊化推理，經(jīng)過解模糊得到PI控制器中的比例系數(shù)增量ΔKP及積分增量ΔKI，實現(xiàn)了對PI控制器參數(shù)的在線修正，以滿足不同電流跟蹤誤差量的控制需求，使APF獲得了較好的電流跟蹤性能［6］。

A相電流模糊控制器原理如圖3所示，模糊PI自適應控制器輸出控制量為APF變換器的參考電壓，也即后級電壓空間矢量調制環(huán)節(jié)的給定電壓參考矢量。

圖3 諧波電流模糊PI自適應控制原理框圖

3.1 精確量的模糊化

采用二維模糊設計一個兩輸入（e、ec）、兩輸出（ΔKP、ΔKI）的模糊控制器，將e和ec變化范圍定義為模糊集上的論域。e、ec＝｛－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5｝，定義模糊子集：｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝。設e、ec以及 ΔKP、ΔKI服從三角形隸屬度函數(shù)。

3.2 模糊規(guī)則的建立

PI調節(jié)器中比例控制環(huán)節(jié)的作用是使系統(tǒng)響應速度獲得增加，改善閉環(huán)系統(tǒng)的控制精度；積分系數(shù)的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差［6］。

根據(jù)工程技術和實際操作經(jīng)驗可以得出ΔKP、ΔKI模糊規(guī)則控制表，如表2、表3所示。

表2 ΔK P的模糊規(guī)則控制表

表3 ΔK I的模糊規(guī)則控制表

在ΔKP、ΔKI的模糊控制規(guī)則建好后，根據(jù)模糊子集的隸屬度值及各參數(shù)模糊控制規(guī)則，解模糊后得到PI控制器的修正系數(shù) ΔKP、ΔKI［7］。經(jīng)過上述模糊推理后要對修正參數(shù)ΔKP、ΔKI去模糊化，本系統(tǒng)采用加權平均法求取輸出的精確值 ΔKp、ΔKI，即可得出：

4 實驗驗證

為了驗證該方案的正確性，在Matlab／Simulink中搭建基于模糊PI控制的三電平有源電力濾波器仿真系統(tǒng)。其中參數(shù)設置為：接入電網(wǎng)電壓380 V，非線性負載選用三相二極管整流橋帶阻感性負載，電阻16Ω，電感1 m H。三電平變換器直流側總電壓Vdc給定值為1 000 V，輸出電感為1 m H，系統(tǒng)采樣頻率為10 k Hz。

圖4所示為補償前電網(wǎng)電流波形圖，圖5所示為模糊PI控制系統(tǒng)補償結果，可見模糊PI控制的三電平諧波補償控制方案取得良好的補償效果。

圖4 補償前A相諧波電流波形

圖5 采用該方案補償后電網(wǎng)電流波形

圖6 所示為三電平變換器直流側上、下電容電壓波形。可以看出，直流側上、下電容電壓在穩(wěn)態(tài)時各為500 V，中點電位平衡控制效果良好。在仿真基礎上搭建了實驗平臺，實驗波形如圖7所示。

圖6 三電平變換器直流側上、下電容電壓波形

圖7 實驗波形

5 結語

本文提出了一種將模糊自適應PI控制器與三電平電壓空間矢量調制相結合的三電平有源電力濾波器控制方案，相對常規(guī)的PI控制方法，該方案增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。仿真和實驗結果表明，采用模糊PI控制的三電平有源電力濾波器，獲得了較好的動、靜態(tài)性能，中點電位問題通過調節(jié)正、負小矢量作用時間的控制算法也得到了很好的解決。

［1］張建良，譚國俊，韓耀飛.三電平有源電力濾波器實驗研究［J］.電力電子，2009（5）

［2］譚國俊，張建良，韓耀飛.基于SVPWM的并聯(lián)型三電平有源電力濾波器的研究［J］.工礦自動化，2009（5）

［3］王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京：北京機械工業(yè)出版社，1998

［4］韋立祥，劉叢偉，林旭東，等.三電平變流器直流電壓平衡控制方法［J］.清華大學學報：自然科學版，2002（9）

［5］周文生，姚鋼，宋文祥.中點箝位型三電平逆變器控制方法的綜合研究［J］.電氣傳動自動化，2008（2）

［6］劉金琨.先進PID控制及其 Matlab仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1998

［7］李瓊林，劉會金，孫建軍，等.基于模糊邏輯的參數(shù)自整定PI控制在有源濾波器中的應用［J］.電力自動化設備，2005（10）