三相四開關有源電力濾波器新型控制策略研究

李偉，余仕求　(長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

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三相四開關有源電力濾波器新型控制策略研究

李偉，余仕求(長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

[摘要]基于無差拍控制，提出了一種適用于三相四開關有源電力濾波器的新型控制策略：以構建價值函數為尋優目標，在一個開關周期內直接選取最優電壓矢量替代傳統SVPWM調制，無需復雜的時間計算。分析了三相四開關逆變器電壓空間矢量特點，并構建了合成矢量，優化空間電壓矢量作用順序和增設尋優條件，減少開關頻率，以提高系統的補償性能。該方法控制簡單，易實現，仿真結果驗證了所提方法的有效性和實用性。

[關鍵詞]無差拍控制；四開關逆變器；價值函數

有源電力濾波器(Active Power Filter,APF)能夠很好抑制電網的諧波，提高電能質量。目前，針對三相六開關APF的控制具有較多的開關并聯型有源電力濾波器具有功率開關器件少，損耗少，控制簡單，綜合造價低等優點。作為六開關APF一相橋臂故障后的一種容錯拓撲，三相四開關能夠繼續維持系統正常工作，研究其控制策略對中低壓領域的APF發展具有現實意義，因此被廣泛的關注和研究[1~6]。

與三相六開關逆變器相比，三相四開關逆變器只有4個電壓空間矢量，無零矢量，且模值不均等。若使用傳統SVPWM調制策略，易產生窄脈沖，且要合成零矢量則必須增加開關頻率。而基于無差拍控制策略，在一個采樣周期內，以構建價值函數為尋優原則，直接選擇最佳開關模式觸發脈沖，控制結構簡單，易實現。為此，筆者基于無差拍控制，提出了一種適用于三相四開關有源電力濾波器的新型控制策略。

1三相四開關有源電力濾波器拓撲結構

圖1　三相四開關有源電力濾波器拓撲結構

三相四開關并聯型有源電力濾波器的拓撲結構如圖1所示。圖1中，ea﹑eb﹑ec分別為三相電源相電壓，電源相電流分別為isa﹑isb﹑isc；負載為三相不可控整流阻感負載，其相電流分別為iLa﹑iLb﹑iLc；三相四開關有源電力濾波器發出相電流分別為ia﹑ib﹑ic；濾波器輸出電感為L；母線電壓為Udc；分壓電容電壓分別為uc1﹑uc2；a﹑b兩相橋臂分別由功率器件IGBT和續流二極管構成。

與傳統三相六開關比，三相四開關顯然節省了一個橋臂，驅動電路設計更加簡單，總體功率器件損耗減少，散熱裝置等工程造價有所降低，適用于中低壓小容量場合。

為方便分析，假設直流側2電容電壓相等且無脈動。電源中性點N不接地，并以N為電壓參考點，不計零軸分量，Sa代表S2、S4的開關狀態；Sb代表S1、S3的開關狀態。當Sa=1時，a相上橋臂開通，下橋臂關斷；當Sa=0時a相上橋臂關斷，下橋臂開通。Sb與Sa相仿，逆變器輸出相電壓進行“等功率”轉換到αβ坐標系下得：

(1)

表1給出了在αβ坐標系下4種開關狀態與電壓空間矢量對應關系。

2TFSAPF新型控制策略

根據圖1并由基爾霍夫電壓定律，忽略逆變器輸出電感的阻抗，在αβ坐標系下得：

(2)

式中，eαβ為三相電源電壓轉換到αβ坐標軸下的電壓；uαβ﹑iαβ分別為逆變器輸出電壓和電流。由于采樣時間Ts很小,將式(2)進行離散并估算下一采樣時刻變流器發出電流：

(3)

(4)

圖2　三相四開關APF新型控制原理圖

圖3　電壓空間矢量分布

由上述分析可知，在一個采樣周期內只作用一種開關狀態。依據伏秒原則可知，若增大采樣頻率，開關頻率就會隨之增加，價值函數g就越小。指令電流信號跟蹤誤差減小使得APF諧波補償性能得以提高，反之亦然。若以增加采樣頻率來提高系統補償性能，則增大了AD采樣模塊和DSP運算處理模塊的壓力。

另一方面，若逆變器可供選擇的電壓矢量越多，在相同采樣頻率下，諧波補償精度將會提高。因此筆者提出通過合成矢量方案以減少APF補償誤差。

由表1可知逆變器的交流側輸出電壓空間矢量只有4種 ，在αβ坐標系下的分布如圖3(a)所示。

由圖3(a)和表1可知，三相四開關逆變器的電壓空間矢量與常規三相六開關逆變器的電壓空間矢量相比較[4]，在空間位置方面，只有4個相互垂直的電壓空間矢量，且無零矢量。

由此可將相鄰2個基矢量進行合成得到合成矢量：

(5)

圖4　程序流程圖

由式(5)可知，相鄰的2個基矢量在一個開關周期內作用相等的時間得到合成基矢量U01﹑U12﹑U23﹑U30，并結合原基矢量U0﹑U2作為三相四開關逆變器的一組新電壓空間矢量，其空間分布如圖3(b)所示。顯然新的電壓空間基矢量分布構成正六邊形，類似于傳統三相六開關逆變器的電壓空間矢量分布。與原4個電壓空間矢量相比，合成后的電壓空間幅值相等，相角相差60°。

假設在一個開關周期內最優輸出電壓矢量為合成電壓矢量，則實際上作用了2種開關狀態。為減少開關頻率，一方面可在估算逆變器輸出電流和選取最佳電壓空間矢量之前，增加一個判斷條件：

f=g(k+1)-λgmin(k)

(6)

式中，λ為調節系數，為使系統收斂，λ∈[0,1];f為條件判斷值。如果f≥0,則重新選擇最佳電壓矢量；如果f≤ 0,則將Uopt(k)作為第k+1采樣周期的逆變器輸出最佳電壓矢量，從而保持了前后2個采樣周期的開關狀態不變。

三相四開關有源電力濾波器新型控制策略的程序流程圖如圖4所示。

3仿真結果

圖5　電源電流補償前后的波形

三相對稱電源相電壓為220V，頻率50Hz；三相四開關APF交流側輸出電感L=8mH,等效電阻R=0.1Ω；直流側兩電容分別取5000μF,其參考電壓各為600V；負載為三相不可控整流阻感負載2組Ls1=5mH 、Rs1=6Ω；Ls2=5mH 、Rs2=24Ω；功率器件IGBT開關頻率fs=10kHz;采樣時間Ts=25μs。

圖5為三相四開關APF諧波補償前后及負載變化時電源電流的波形，系統在0.04s時投入APF運行，仿真時調節系數λ取0，采用6種工作模式觸發脈沖驅動IGBT；在0.08s時投入第2組負載，由圖5可以看出，補償后的電源電流波形基本為正弦，且在增大負載后，暫態過程短，補償效果明顯，很好的抑制了諧波電流，提高了系統運行的穩定性。

圖6(a)給出了使用原電壓空間矢量模式下補償后的電源電流波形，電流諧波總疇變率(THD)為6.18%。在相同采樣頻率下，圖6(b)給出了使用合成空間矢量模式下的電源電流補償，仿真時調節系數λ取0，補償后電流諧波THD為4.01%，提高了APF的補償精度，滿足實際應用。

圖6　2種空間矢量模式下的補償效果仿真

圖7　平均開關頻率補償后a相電源電流 THD　與調節系數λ的關系

4結論

1)基于無差拍控制策略，提出一種適用于三相四開關APF的控制方案，定義價值函數g為尋優目標，在一個開關周期內直接選取最優電壓矢量，避免了窄脈沖影響，無需復雜的時間計算，實現簡單。

2)在滿足諧波及無功的補償容量范圍內，應對負載變化，筆者提出的控制策略具有跟蹤諧波迅速，抗干擾強等優點。

[參考文獻]

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[編輯]洪云飛

[引著格式]李偉，余仕求.三相四開關有源電力濾波器新型控制策略研究[J].長江大學學報(自科版)，2015,12(34)：27~30.

[中圖分類號]TM464

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)34-0027-04

通信作者：

[作者簡介]李偉(1989-)，男，碩士生，現主要從事變頻器與諧波處理方面的研究工作；余仕求，1295467710@qq.com。

[收稿日期]2015-09-27