一种基于空间矢量的恒频滞环UPQC控制策略

殷少奇，白树忠

（山东大学电气工程学院，山东济南 250061）

一种基于空间矢量的恒频滞环UPQC控制策略

殷少奇，白树忠

（山东大学电气工程学院，山东济南 250061）

研究分析了恒频滞环控制，通过对滞环跟踪控制的转化，将空间矢量与恒频滞环控制有机的结合起来，提出了一种适用于统一电能质量调节器的基于空间矢量的恒频滞环控制策略。在该控制策略中采用改进后的SVPWM跟踪算法，直接使用相间的电流误差矢量的正负号来判断指令电压矢量所处的区域，不需要检测三相电网电压，优化了控制算法。该控制策略不仅解决了滞环控制开关频率不固定的问题，同时也克服了三相三线系统严重的相间干扰问题。通过Matlab/Simulink仿真验证，证明这种控制策略对统一电能质量调节器是可行的。

统一电能质量调节器；恒频滞环控制；空间矢量；相间干扰

1 引言

近年来，随着电力事业的不断发展，电能质量问题得到越来越多的关注。大量非线性负荷、冲击性负荷的投放使用，使得电能质量日益恶化［1-4］，致使用户蒙受了极大的损失。统一电能质量调节器（UPQC）作为电能质量综合补偿设备，其联合了串联补偿部分与并联补偿部分的功能，既可以改善电网侧的供电质量，又能防止负荷端的电流谐波污染电网，它通常是由一个串联有源电力滤波器和一个并联有源电力滤波器通过公共直流母线电容连接构成背靠背结构［5-6］。

畸变量检测及其跟踪控制的快速性与准确性对UPQC的补偿效果有着很大的影响。目前，统一电能质量调节器广泛使用的滞环控制方法具有较好的控制性能，精度较高且响应快，但是开关频率不固定容易产生过大的脉动电流和开关噪声［7］，此外，整个系统还存在着负载换路时被控制量得不到有效控制而造成的三相三线系统严重的相间干扰问题。为此，提出一种基于空间矢量的恒频滞环UPQC控制方法。该方法不仅可以实现开关频率恒定，同时也能克服三相三线系统中出现的相间干扰。仿真结果证明了这种控制策略的可行性。

2 UPQC的恒频滞环控制

滞环跟踪控制的原理见图1，以a相电流跟踪补偿为例。由于交流侧电压是对称的，可将中性点等效为参考地，其与直流侧中点是等电位。将实际输出电流ica与给定的电流i*ca通过比较器得到电流偏差Δi，滞环比较单元对此偏差进行判定，当其超过±h时，由滞环比较器控制功率器件的通断，进而实现ica对i*ca的跟踪，达到滞环控制的目的。

图1 单相滞环跟踪控制原理Fig.1 Principle block diagram of singlephase hysteresis tracking control

采用滞环跟踪控制方法来产生UPQC主电路开关器件的驱动信号，然后在此基础上，加入一定的算法使得开关频率固定，即可实现UPQC的恒频滞环控制。

由图1可得，a相电压瞬时值方程为

式中：ua是A点相对于直流母线中点的电压。

开关管VT1导通为Udc/2，开关管VT4导通为-Udc/2。

若要控制输出电流ica跟踪指令电流，其误差幅值不超过h，假定输出电流为指令电流，则有

在参考电压下，指令电流将会等于逆变器的输出电流。式（1）与式（2）相减，定义误差电流为则有

滞环控制电流输出见图2，由于逆变器开关频率较高，在一个开关周期内参考电压可近似认为不变［8］，因此通过式（3）可计算误差电流的上升时间t1和下降时间t2及一个开关周期T的总时间如下。

上升时间：

图2 滞环控制电流输出Fig.2 Output current controlled by hysteresis tracking

式（6）为开关周期T（即开关频率f）与滞环控制环宽h的关系。传统的滞环控制，环宽h固定，但由于u*a的不断变化，使得开关频率也将随之波动。若调节滞环宽度，使式（6）恒定不变，即可达到固定开关频率的目的。由式（6）可得环宽：

将式（2）代入式（7）可得：

通过式（8）计算环宽h，即可实现开关频率的恒定。恒频滞环控制环宽计算框图如图3所示。

图3 环宽h计算框图Fig.3 Calculation block diagram of hysteresis band h

3 滞环跟踪控制的转化

采用上述的恒频滞环控制方法在三相系统中使用时能够实现频率的恒定，但仍然无法解决相间干扰问题，而与矢量控制方法结合能有效克服上述缺点。电压源型有源电力滤波器等效变换后，得到电路如图4所示。

图4 有源电力滤波器等效电路图Fig.4 Equivalent circuit of active power filter

引入空间矢量后，由式（3）可知逆变器实际输出u的方向跟踪指令电压矢量u*时，可以控制电流误差变化率dΔidt，即控制电流误差矢量Δi，进而达到电流跟踪的目的。

UPQC并联侧控制系统的目标就是实现电源电流矢量is对电源指令电流矢量isr的跟踪，定义电源电流误差矢量：

电源电流受到有源滤波器输出电流ic和负载电流iL的影响，由于iL是由负载类型以及负载大小决定，不可控，只有ic可控，所以可通过ic来控制电源电流误差，由此可以定义滤波器电流误差矢量：

由式（10）、式（11）可得

从式（12）可知Δis和Δi矢量关系相同。

由以上分析可得，在UPQC并联侧可利用ic对的滞环跟踪控制来实现is对isr的跟踪。一般u*在一个开关周期内是固定的，可以通过正确选择输出电压矢量U（kk=0，…，7）的方法来控制电流，使Δi限制在很小的区域内，即可以使得Δis很小，进而达到电源电流is跟踪电源指令电流isr的目的。

4 UPQC并联侧的控制算法

4.1 控制原理分析

由以上推导可得出UPQC并联侧基于空间矢量的恒频滞环控制算法的原理：首先将相电流误差通过恒频滞环比较器得到3组输出值Δia，Δib，Δic，然后利用改进后SVPWM电流跟踪算法直接由三相相间的电流误差矢量Δiab，Δibc，Δica判断得到指令电压矢量u*所在区域，将u*区域判定的结果与Δia，Δib，Δic经过电压空间矢量选择，输出最优的电压矢量Uk来控制开关动作，使实际输出的补偿电流跟踪指令电流，与此同时运用本文所论述的恒频滞环控制算法使开关频率保持恒定。控制算法原理如图5所示。

图5 UPQC并联侧的控制算法原理Fig.5 Control algorithm of the parallel side

4.2 u*和Δi的区域划分以及Uk的选择判据

在图4的主电路中，矢量空间被8种开关模式所对应的有源滤波器输出电压矢量Uk（k=0，…，7）划分为6个三角形区域，故可以把u*（u*是指令补偿电流矢量对应的滤波器输出指令电压矢量）所在的区域分为6个三角形，记为Ⅰ～Ⅵ，如图6a所示；为了方便Δia，Δib，Δic的正负极性判别，Δi空间区域可划分为6个三角形区域，记为（1）～（6），如图6b所示［10］。

图6 u*，Δi区域划分Fig.6 Region division ofu*，Δi

由式（3）可知，u*-u决定了dΔi的变化情况，在确定指令电压矢量u*和电流误差矢量Δi后，两矢量的空间区域位置也随之确定。为了达到电流跟踪控制的目的，必须确定一个最佳的电压空间矢量Uk，确保使补偿电流误差矢量变化率dΔi dt与电流误差矢量Δi的方向始终相反，例如，当Δi有减小趋势时，为了阻止Δi减小，应该使dΔi dt及时变大。

由文献［11］可以得到，当指令电压矢量u*和电流误差矢量Δi处于不同区域时，满足上述条件的电压空间矢量Uk的选择情况如表1所示。

表1 Uk选择判据表Tab.1 Selection criteria table ofUk

4.2.1 改进后的u*区域判断

为了方便描述，可将三相坐标系abc顺时针旋转30°得到三相对称坐标系ab-bc-ca。三相坐标系abc中的空间电压矢量也被变换到三相对称坐标系ab-bc-ca中，如图7所示。

图7 三相ab-bc-ca坐标系Fig.7 Three-phase ab-bc-ca coordinate system

表2 u*区域判断Tab.2 Region determination table ofu*

4.2.2 关于Δi区域判断

由图6b可知，可以通过Δi在 a，b，c 3个坐标轴上的分量Δia，Δib，Δic的正负极性来判别矢量Δi所在区域，而Δia，Δib，Δic的正负极性可直接通过3组恒频滞环比较器输出的逻辑状态进行直接判定（1为正，0为负），由此可判断出Δi所在区域，如表3所示。

表3 Δi区域判断Tab.3 Region determination table ofΔi

5 UPQC串联侧的控制算法

UPQC串联侧主要用于改善电网侧的供电质量，着力于解决电压突变等电压质量问题。UPQC串联侧基于空间矢量的恒频滞环控制算法与并联侧的控制算法原理相类似，不同之处在于串联侧是将指令补偿相电压值和滤波器实际输出相电压值的差通过本文已论述的恒频滞环比较器比较后，得到3组输出值Δua，Δub，Δuc。然后在利用改进后SVPWM电流跟踪算法判断得到指令电压矢量u*所在区域，将u*区域判定的结果与Δua，Δub，Δuc经过电压空间矢量选择，得到最佳的电压矢量来控制开关动作，从而使得实际补偿的电压值跟踪指令电压。

6 仿真结果与分析

通过Matlab/Smulink工具箱建立了相应的仿真模型，仿真实验系统原理框图如图8所示。

图8 仿真实验系统原理框图Fig.8 Principle block diagram of simulation experiment system

仿真具体参数为：电源电压为三相正弦电压，基波有效值为220 V，初相角取为零。接入的UPQC串联侧三相电感L1=5 mH，三相电容采用星型接法，电容值C1=1 μF，变压器采用理想变压器，变比设为1∶1；并联侧三相电感L2=7 mH，三相电容C2=2.2 μF；直流侧电容电压采用PI控制，直流侧电容Cdc=4 700 μF，电容电压初始值设为800 V。负载为不可控三相整流桥带阻感负载Rload=20 Ω，Lload=2 mH。为了模拟受污染的电网，在仿真过程0.1～0.16 s时电源电压跌落30%，并加入幅值为0.2（标幺值）的5次谐波和幅值为0.1（标幺值）的7次谐波。

仿真结果如图9～图11所示。由图11可知，直流侧电压能够基本保持恒定，控制效果较好。经过FFT分析，补偿前负载电流的谐波畸变率为30.25%，采用一般的滞环控制方式进行补偿后电网电流的畸变率降到12.83%，采用本文提出的控制方式补偿后其畸变率为5.37%；补偿前电源电压的谐波畸变率为31.94%，采用一般的滞环控制方式进行补偿后负载电压的畸变率为8.63%，采用本文提出的控制方式补偿后负载电压的畸变率降至5.76%。由以上分析可以看出，采用本文所提出的控制方案后，补偿效果明显改善。

图9 并联侧仿真结果Fig.9 Simulation results of the parallel side

图10 串联侧仿真结果Fig.10 Simulation results of the series side

图11 直流侧电压Fig.11 DC link voltage

7 结论

本文提出了一种适用于统一电能质量调节器的基于空间矢量的恒频滞环控制策略，在该控制策略中采用改进的SVPWM跟踪算法，与传统的SVPWM跟踪算法相比，该算法简化了硬件电路而且优化了算法。Matlab/Smulink仿真结果表明，基于此控制策略的统一电能质量控制器不仅对非线性负载造成的谐波污染以及电压暂降等问题有显著的补偿效果，而且能够有效地消除相间影响并且保持开关频率的恒定，是一种可行的统一电能质量调节器的控制策略。

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修改稿日期：2013-11-15

Space Vector Based Hysteresis Control Strategy with Fixed Switching Frequency for UPQC

YIN Shao-qi，BAI Shu-zhong
（School of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan250061，Shandong，China）

A space vector based hysteresis control strategy with fixed switching frequency for unified power quality conditioner（UPQC）was proposed.The hysteresis control strategy with fixed switching frequency was researched.On this basis，by the conversion of the filter hysteresis tracking control fixed switching frequency hysteresis control was combined with space vector control.In the final control strategy，it judged the region of command voltage vector by using the sign of phase-to-phase current error vector.Compared with the traditional algorithm，detection of three-phase grid voltage is not needed and the algorithm is optimized.The method can solve the problem that switching frequency is unstable and overcome the problem of interphase interference in three-phase three-wire system.Through the Matlab/Simulink simulation，proved that this kind of control strategy for unified power quality conditioner is feasible and effective.

united power quality conditioner（UPQC）；hysteresis control with fixed switching frequency；space vector；interphase interference

TM761

A

殷少奇（1988-），男，硕士研究生，Email：kaka2509@126.com

2013-06-30