基于空间矢量的有源电力滤波器预测电压控制策略

第５期　２０１３年９月　电　源　学　报　Ｎｏ．５　Ｓｅｐ．２０１　３　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　基于空间矢量的有源电力滤波器预测电压　控制策略　李萍　，刘斌。　（１．电子科技大学成都学院电子信息工程系，四川成都６１１７３１；２．中南大学　信息科学与工程学院湖南，长沙４１００８３）　摘要：从矢量的角度出发，将三相电网电压与电流矢量在旋转坐标系下进行投影变换．实现了谐波与无功电流　的同时提取。进一步提出一种具有无差拍控制特性的有源电力滤波器空间矢量控制策略，实现了有源电力滤波器的　预测控制和谐波与无功电流的精确补偿。利用ＭＡＴＬＡＢ对所提出的控制策略进行仿真验证．并研制了５　ｋｖＡ实验　样机进行了实验研究。仿真与实验结果验证了此方法的正确性与有效性。　关键词：有源电力滤波器；无差拍控制；空间矢量控制；ＭＡＴＬＡＢ仿真　中图分类号：ＴＭ７１２　文献标志码：Ａ　文章编号：２０９５—２８０５（２０１３）０５—００４２—０７　引言　作为治理电力系统谐波污染的有效途径之一　基于电压空间矢量调制的有源滤波器双滞环电流　跟踪控制策略，但存在一个采样周期的延时。文献　『４］提出谐波与无功电流同时补偿的方案，但对于基　的有源电力滤波￣（Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒ，ＡＰＦ１，是一　种能动态抑制谐波的电力电子装置．具有响应速度　快、补偿效果好、能够实现动态连续实时补偿等特　点【１］。并联型的有源电力滤波器的控制有两个关键　问题：一是谐波与无功电流的检测与补偿电流指令　值的产生，二是补偿电流的跟踪控制［２１。　文献ｆ１１提出的基于瞬时无功功率理论的谐波　于逆变功率模块的控制，未指明具体的实现方案。　针对补偿电流滞后于指令电流一拍导致补偿　电流控制精度不高的问题，本文将无差拍控制方法　和基于空间矢量的ＰＷＭ调制方法（ＳＶＰＷＭ）有机地　结合起来，并对传统的ＳＶＰＷＭ控制算法进行改进，　提出一种基于空间矢量的有源电力滤波器预测电　压控制策略。此控制策略具有计算简单、响应快、精　度高、直流侧电压利用率高和开关损耗低的优点。　电流ｐ—ｑ检测法，不适于三相电压存在畸变和不对　称的情况。文献［２】提出了实用于电网谐波与无功电　流检测方法，不过该文献未明确阐述基于电压矢量　的检测谐波与无功电流的检测机理。本文从矢量的　１基于　一　滤波的谐波与无功电流　检测方法　在三相三线制系统中．设相对应的三相电流为　０、ｉｂ、ｉｃ，三相电压为ｅａｓｅ　、ｅ　，则可按对称分量法将　它们分解为：　角度出发，将电流矢量向将三相电网电压作类似　。一　算法的ｌ，　一Ｉ／　滤波处理后而得到的“纯净”电压坐　标投影，实现了在电网电压存在畸变和不对称的情　况下的谐波与无功电流的准确提取。文献【３１提出了　收稿日期：２０１３—０４—１２　第５期　李萍，等：基于空间矢量的有源电力滤波器预测电压控制策略　４３　：　：　卜　：　至　ｒ（ｒｔＯ）件　）＋　ｉ　件　）］　至　ｎ　件　一　３）＋　ｉ　件　十　３）］　，　至　。ｉｌＪ（删件　十２　３）＋　ｉ　删件　一　３）］　：　：　：　至　ｓｉＩ（倒件　）＋　ｉｒ（　升　）】　）＋　ｉ　件　＋　３）］　薹　ｓ　Ｉ（删件　十　３）＋　ｉＩ（　升　一　３）］　ｓｉ　件　一　３式中：∞为电网基波角频率；，、　分别表示电流　量；下标ｎ表示谐波次数；　、　分别表示电流初相　角和电压初相角。　和电压的有效值；上标＋、一分别表示正序和负序分　图１基于　滤波的谐波和无功电流检测算法框图　图１为谐波和无功电流检测算法框图。锁相环　（ＰＬＬ）由ａ相电压产生电网同步角频率∞。图中：　Ｃ－　ｓｉｎ￣ｏｔＣ２，＝　（５）　将三相电流与矩阵Ｃ　和Ｃ依次相乘，变换到　旋转坐标系中，得到电流相对于初相角为０的标准　模板的瞬时正序有功分量　和无功分量　，即：　ｌ一　一　国Ｉ｝　．－ＣＯＳＣＯ一ＣＯＳＣＯｔ　Ｓｌｎ　国ｔ　（、　３）　（４）　Ｇ：＝　－１／　－　１／２］　ｐ］　ｑ．Ｊ　３２　艨　薹　ｏｏ　］Ｉ　】］　经过低通滤波器ＬＰＦ（Ｌｏｗ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ）处理后　就可以得到直流分量　和ｉ　。　一卜篡　］　ｊ　同理，将三相电压经过类似上述变换的　一Ｖ　电　源　学　报　总第４９期　滤波后得到：　篇　］　㈣　将　、ｉ—ｑ的合成矢量ｉ，投影到由ｅ—ｐ、ｅ一　合成矢量　上，得到矢量ｉ　。它的Ｐ、ｑ分量　和ｉ　就是电流相　对于电源电压的有功分量和无功分量。　篇　其中　可以由下式求得：　］　（１ｏ）　＝ｔａｎ一　（－　／　）　功正序分量　、　、ｉＶ。　把　、ｉ　反变换，即可计算出三相电流的基波有　妻］＝ｃ　ｃ一’［　］：ｌ　三　将三相负载电流减去它的基波正序有功就得　到需要补偿的谐波、基波负序、基波无功分量，也就　是指令电流　、　、　，即：　÷　Ｓ１ｎ　Ｓ１ｎ　三线制结构的并联型有源电力滤波器的拓扑结构　如果采用　），　）分别表示其输出电流、输出电压，　而ｅＯ）记为电源电压矢量，则可以将有源电力滤波器　ｌｃａ＝‘一　十“＋９。　ｎ＋“　一　一　一　的方程写为：　ｌｃｂ＝ｉｂ一　＝‘一　．－Ｉ－　（１２）　鲰　Ｌ　∽　（１３）　从上述求解过程可以看出，通过对电网电压进　行　一　滤波分析，有效地消除了电网电压畸变和　不对称对谐波和无功电流检测带来的不利影响。经　）．　　过变换得到的是基波正序电压和电流量，坐标系变　其中　表示有源电力滤波器的交流侧电感。因　为有源电力滤波器的控制目标是使其输出的电流　等于指令电流，如果令指令电流矢量为　＋ｃ（　），其控制　＋　一　十　换下的电压、电流向量关系明确，物理概念清晰。用　十　＋　目标就是ｉ　ｃ（　）＝　（　，将式（１３）进行变换得到指令电　压矢量Ｍ　０）：　＝此方法计算提取出来的是基波正序有功分量，将　］　＝＝＝＝＝＝　作为指令电流，就能使有源电力滤波器起　。、　、　＋“十一　“　到同时补偿谐波和无功电流，又补偿不平衡引起的　负序分量的目的，起到综合补偿的效果。　Ｌ　＋虿（ｆ）＝Ｌ　＋　）（１４）　如果控制电压型变流器的输出电压满足式　ｆｌ４），则变流器的输出电流矢量正好等于指令电流　２有源电力滤波器的预测电压ＳＶＰ．　矢量。对于有源电力滤波器来说，参考电压矢量可　以由得到的指令电流通过式（１４１计算得到。而得到　ＷＭ控制策略　２．１无差拍电压控制的矢量模型　由于无差拍的控制策略可以保证在每一个采　样时刻值和参考给定值精确相等，具有快速响应电　流的突然变化。特别适合快速暂态控制的特点。在　有源电力滤波器的电压控制策略中，也同样可以建　立基于无差拍控制的矢量模型，达到预测控制的目　的［３Ｊ０　对于图２所示的基于电压源型变流器的三相　电压型变流器的输出指令电压后，则可根据直流侧　电容的电压值采用各种电压控制输出电压跟踪指　令电压的变化　。　若以　表示某一矢量，系统的控制周期为　，　当前时刻（第Ｊ｝时刻）为ｔ，则当前时刻，当前时刻的　上一个控制周期的时刻￡一　、和当前时刻的下一个　控制周期的时刻￡＋　的矢量分别记为　）、　一１）和　４ｋ＋１）。由线性插值作预测模型时，在当前时刻，根　据当前时刻和前一时刻的值预测下一时刻的值作　第５期　李萍．等：基于空间矢量的有源电力滤波器预测电压控制策略　４５　图２有源电力滤波器拓扑结构　为控制量。则下一控制周期的值等于当前时刻的值　与当前时刻值和上一控制周期时刻的值之差，即：　＋１）　）机　）　＠一１）＝　＠）一ｘ（ｋ一１）　（１５）　图２中，ｅｊ　ｊ＝ａ，ｂ，ｃ）表示各相电源电压，西表示　各相负载电流　ｉ表示各相补偿电流　ｉ表示各相电　源电流．根据拓扑电路图有：　ｉｃ＝ｉ　一　（１６）　结合式（１３）、式（１６）以及上节介绍的指令电流的　计算方法，则基于预测电压控制的矢量模型的指令　电压可以表示为：　“ｃ　＋　）：Ｐ　＋ｔ）＋　』十　）　）］（１７）　Ｃ　把式（１５）、（１６）代人上式，进一步整理化简得：　＋　）：２ｅ　）一Ｐ　～ｔ）＋　舀㈤一　（　）－ｉｌ（ｋ）＋ｉｓ㈣］（１８）　２．２有源电力滤波器空间电压矢量（ＳＷＷＭ）控制　传统的开关矢量作用时间的计算，需要把三相　电压矢量变换到　坐标，根据矢量与　坐标轴　的倾角所在的范围判断出指令电压位于哪一个扇　区，然后计算各开关矢量的作用时间，计算量比较　大嘲。本文提出一种不作　坐标变换，而是根据各　相指令电压的符号判断电压矢量所在扇区，再基于　伏秒平衡原理计算开关矢量作用时间。使计算大大　简化。　为分析方便，首先定义单极性二值逻辑开关函　数ｓ　为：　＝　０上桥臂关断，’Ｆ桥臂导通　、　～。　（　１９，　从而图２所示的主电路拓扑结构中的ａ，ｂ、Ｃ三　点的输出电压　可以表示为［６】：　“　＝　一　Ｕｄ∑　（２０）　一　ｎ．扫．　上式中　表示直流侧电压。若以　的形式表　示三个桥臂的状态，则变流器的８个开关矢量　。一　，对应的８个开关状态输出电压的关系可以由表１　给出：　表１变流器开关矢量（状态）与输出电压关系表　图３为各开关矢量对应的电压矢量六边形。由　于有源电力滤波器的补偿指令电流是一些杂乱的　谐波与无功电流．所以对应的指令电压矢量也是幅　值和相角都不固定，可能落在图３所示的任意区域　内。而三相电压型变流器能产生的输出电压矢量是　有限的，不可能输出角度连续变化的空间矢量。只　能控制变流器的开关使其产生的电压矢量逼近指　令电压矢量嘲。例如若由上述方法计算判断得到的　电压矢量落在Ｉ扇区，则可以利用该扇区三个顶点　对应的空间矢量　＂来逼近指令电压矢　量。　由于图３所示的电压矢量空间分布图可看出，　六个扇区Ｉ—ＶＩ之间是由六边形的三条对角线隔　电　源　学　报　总第４９期　开的，这三条对角线分别对应直线“击＝０、ｕ　＝０、Ｍ　ｄ＝＝　０，分别是Ⅱ　＞Ｏ和Ｍ　＜０的分界线，　６ｃ＞Ｏ和　６ｃ＜０的　分界线，“　０和Ｕ￣ａ＜Ｏ的分界线阴。因此，对任意一电　只有一个开关状态与其对应。在各扇区内，顶点开　关矢量（状态）的选取如表２所示嘲。　表２各扇区顶点开关矢量（状态）的选取　压矢量　只要判断出其　、ｕ　Ｕ　。分量的符号即可　判定其所在的区域。即只要采用２．１介绍的方法，计　算出三相输出指令电压ｕ　、Ｍ　、ｕ　，再由下式：　ｆ“：　＝“ｃａ　－Ｕ　ｃ　｛ＩＵｃ　：“　一Ｕｃ　（２１）　“：　：：　ｃ・ｃ－－Ｕｃ・　计算出酩　扒　、酩　的符号就可以判断出指令　电压矢量所在的扇区，如图３所示。　图３电压矢量空间分布　假如若一个指令电压矢量“＋ｃ落在Ｉ扇区内，按　照伏秒特性相等的原则，在控制周期　内，需要变　流器输出的三相指令电压矢量　。、　、　，则希望　在此时间间隔内，作为Ｉ扇区三角形三个顶点的空　间矢量　ｎ对应的开关状态在口、ｂ、ｃ三相　的输出电压分量分别作用　、　、　时间间隔，使各　相满足总的伏秒特性等于指令电压矢量的伏秒特　性，即：　“：。　＝己，ｓ、，　＋　ｓ、，２　＋Ｕｓｖ，　“　＝Ｕｓｗｂ　＋【，ｓｖｚ　＋【，ｓｖ，６　ｆ２２）　“：　＝　ｓｖ１　＋Ｕｓｖ２　＋ｕｓｖ３　＝　十　＋　其中空间矢量　”对应的开关状态　在ａ，ｂ、ｃ三相的输出电压分量　。。等可由表１查　得。位于原点的三角形顶点开关矢量　”对应着两　个开关状态　和．ｓⅢ，而另￣＇ｂｇＪ个顶点开关矢量都　３仿真结果　基于仿真软件ＭＡＴＬＡＢ７．０对上述谐波与无功　电流检测方法与补偿电流控制方法进行仿真。仿真　参数选择为：有源滤波器开关频率１０．５　ｋＨｚ：电抗器　电感Ｌ＝２　ｍＨ；直流电容为Ｃ＝４　５３３　ｔｘＦ；非线性负载　采用带阻感负载的三相全控桥式整流电路。　仿真中所加的不对称和存在畸变的电源电压　波形如图４所示，图５、图６分别是补偿前、后的三　相电源电流波形及其频谱分析。从仿真结果可以看　出，当电源电压不对称和存在畸变，负载电流不对　称，含有大量的谐波与无功电流时，利用上述的有　源电力滤波器控制方法能对非线性负载进行较好　的综合补偿，补偿后的电源电流与三相电源电压的　基波正序分量同相位，谐波含量大大降低。　４实验　以ＣＣＳ３．３为开发平台构建了一台５　ｋＶＡ有源　电力滤波器实验样机。主控制器芯片采用　ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２型ＤＳＰ，开发平台支持Ｃ语言编程，　图４非对称、有畸变的三相电源电压　电　源　学　报　总第４９期　型，通过无差拍预测电压控制，可以使有源电力滤　有源滤波器双滞环电流跟踪控制策略【Ｊ】．中国电机工程　波器的输出电流在一个开关周期之内等于其指令　电流，保证了电流跟踪的快速性。同时提出一种简　学报，２０１１，３１（１５）：８－１４．　［４】Ｍｏｈｓｅｎｉ　Ｍ，Ｉｓｌａｍ　Ｓ　Ｍ．Ａ　ｎｅｗ　ｖｅｃｔｏｒ－ｂａｓｅｄ　ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ　ｃｕｒ－　ｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ＰＷＭ　ｖｏｌｔａｇｅ－ｓｏｕｒｃｅ　化的ＳＶＰＷＭ调制的计算方法，减小了计算量，获得　控制精度高，易于在数字控制系统中实现。同时，由　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｏｎｉｒｃｓ，　于这种控制方法开关频率恒定．因此，器件开关所　产生的高频成分易于通过高通滤波器消除。理论分　析、仿真及实验结果表明了所提出的控制方法的准　确性与有效性。　２０１０，２５（９）：２２９９．２３ｏ９．　［５］Ｌｕｏ　Ａ，Ｓｈｕａｉ　Ｚ，Ｚｈｕ　Ｗ，ｅｔ　１．ａＣｏｍｂｉｎｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｒｆ　ｈａｒｍｏｎ—　ｉｃ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ［Ｊ１．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００９，５６（２）：４１８－－４２８．　［６］乐江源，谢运祥，张志，等．三相有源电力滤波器精确反馈　线性化空间矢量ＰＷＭ复合控制【Ｊ］．中国电机工程学报，　参考文献：　【１］王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿【Ｍ］．北　京：机械工业出版社，１９９８．　２０１０，３０（１５）：３２－３９．　［７］许明夏，林平，张涛，等．有源电力滤波器重复控制方法　的设计［Ｊ］．电源学报，２０１２（２）：１６－２０．　【８】赵文，张代润，吴敌．有源电力滤波器自适应电网电流滞　【２］游小杰，李永东，ＶｉｃｔｏｒＶａｌｏｕｃｈ，郝瑞祥．并联型有源电力　滤波器在非理想电源电压下的控制［Ｊ］．中国电机工程学　环控制［Ｊ］．电源学报，２０１２（２）：６７—７１．　［９】邱银锋，梁志珊，魏学良．有源电力滤波器电源电流直接　报．２００４．２４（２）：５５—６０．　［３］申张亮，郑建勇，梅军，等．基于改进电压空间矢量调制的　控制改进方法［Ｊ］．电力系统自动化，２０１２，３６（２４）：７９—８３．　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｆｏｒ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｐａｃｅ　Ｖｅｃｔｏｒ　ＬＩ　Ｐｉｎｇ　，ＬＩＵ　Ｂｉｎ。　（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｓｉｃｈｕａｎ　６１　１７３１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　Ｈｕｎａｎ　４１００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｏｖｅｌ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ａｎｄ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｃｕｒｒｅｎｔｓ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｈａｄｏｗ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｖｅｃｔｏｒ　ｉｎ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｌａｍｅ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｅｘａｃｔ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ａｎｄ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｃｕｒｒｅｕｔｓ　ｉｎ　ｄ，ａ　ｄｅａｄ—　ｂｅａｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｆｏｒ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＡＴＬＡＢ　ａｎｄ　ａ　５　ｋＶＡ　ＤＳＰ—ｂａｓｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｗｅｒｅ　ｂｕｉｌｔ　ｕｐ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｃｏｎｆｉｒｍ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｍｅｓｓ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｌｔｉｅｒ；ｄｅａｄ—ｂｅａｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ；ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ；ＭＡＴＬＡＢ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ