三相四开关有源电力滤波器新型控制策略研究

李伟，余仕求　(长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)



三相四开关有源电力滤波器新型控制策略研究

李伟，余仕求(长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

[摘要]基于无差拍控制，提出了一种适用于三相四开关有源电力滤波器的新型控制策略：以构建价值函数为寻优目标，在一个开关周期内直接选取最优电压矢量替代传统SVPWM调制，无需复杂的时间计算。分析了三相四开关逆变器电压空间矢量特点，并构建了合成矢量，优化空间电压矢量作用顺序和增设寻优条件，减少开关频率，以提高系统的补偿性能。该方法控制简单，易实现，仿真结果验证了所提方法的有效性和实用性。

[关键词]无差拍控制；四开关逆变器；价值函数

有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)能够很好抑制电网的谐波，提高电能质量。目前，针对三相六开关APF的控制具有较多的开关并联型有源电力滤波器具有功率开关器件少，损耗少，控制简单，综合造价低等优点。作为六开关APF一相桥臂故障后的一种容错拓扑，三相四开关能够继续维持系统正常工作，研究其控制策略对中低压领域的APF发展具有现实意义，因此被广泛的关注和研究[1~6]。

与三相六开关逆变器相比，三相四开关逆变器只有4个电压空间矢量，无零矢量，且模值不均等。若使用传统SVPWM调制策略，易产生窄脉冲，且要合成零矢量则必须增加开关频率。而基于无差拍控制策略，在一个采样周期内，以构建价值函数为寻优原则，直接选择最佳开关模式触发脉冲，控制结构简单，易实现。为此，笔者基于无差拍控制，提出了一种适用于三相四开关有源电力滤波器的新型控制策略。

1三相四开关有源电力滤波器拓扑结构

图1　三相四开关有源电力滤波器拓扑结构

三相四开关并联型有源电力滤波器的拓扑结构如图1所示。图1中，ea﹑eb﹑ec分别为三相电源相电压，电源相电流分别为isa﹑isb﹑isc；负载为三相不可控整流阻感负载，其相电流分别为iLa﹑iLb﹑iLc；三相四开关有源电力滤波器发出相电流分别为ia﹑ib﹑ic；滤波器输出电感为L；母线电压为Udc；分压电容电压分别为uc1﹑uc2；a﹑b两相桥臂分别由功率器件IGBT和续流二极管构成。

与传统三相六开关比，三相四开关显然节省了一个桥臂，驱动电路设计更加简单，总体功率器件损耗减少，散热装置等工程造价有所降低，适用于中低压小容量场合。

为方便分析，假设直流侧2电容电压相等且无脉动。电源中性点N不接地，并以N为电压参考点，不计零轴分量，Sa代表S2、S4的开关状态；Sb代表S1、S3的开关状态。当Sa=1时，a相上桥臂开通，下桥臂关断；当Sa=0时a相上桥臂关断，下桥臂开通。Sb与Sa相仿，逆变器输出相电压进行“等功率”转换到αβ坐标系下得：

(1)

表1给出了在αβ坐标系下4种开关状态与电压空间矢量对应关系。

2TFSAPF新型控制策略

根据图1并由基尔霍夫电压定律，忽略逆变器输出电感的阻抗，在αβ坐标系下得：

(2)

式中，eαβ为三相电源电压转换到αβ坐标轴下的电压；uαβ﹑iαβ分别为逆变器输出电压和电流。由于采样时间Ts很小,将式(2)进行离散并估算下一采样时刻变流器发出电流：

(3)

(4)

图2　三相四开关APF新型控制原理图

图3　电压空间矢量分布

由上述分析可知，在一个采样周期内只作用一种开关状态。依据伏秒原则可知，若增大采样频率，开关频率就会随之增加，价值函数g就越小。指令电流信号跟踪误差减小使得APF谐波补偿性能得以提高，反之亦然。若以增加采样频率来提高系统补偿性能，则增大了AD采样模块和DSP运算处理模块的压力。

另一方面，若逆变器可供选择的电压矢量越多，在相同采样频率下，谐波补偿精度将会提高。因此笔者提出通过合成矢量方案以减少APF补偿误差。

由表1可知逆变器的交流侧输出电压空间矢量只有4种 ，在αβ坐标系下的分布如图3(a)所示。

由图3(a)和表1可知，三相四开关逆变器的电压空间矢量与常规三相六开关逆变器的电压空间矢量相比较[4]，在空间位置方面，只有4个相互垂直的电压空间矢量，且无零矢量。

由此可将相邻2个基矢量进行合成得到合成矢量：

(5)

图4　程序流程图

由式(5)可知，相邻的2个基矢量在一个开关周期内作用相等的时间得到合成基矢量U01﹑U12﹑U23﹑U30，并结合原基矢量U0﹑U2作为三相四开关逆变器的一组新电压空间矢量，其空间分布如图3(b)所示。显然新的电压空间基矢量分布构成正六边形，类似于传统三相六开关逆变器的电压空间矢量分布。与原4个电压空间矢量相比，合成后的电压空间幅值相等，相角相差60°。

假设在一个开关周期内最优输出电压矢量为合成电压矢量，则实际上作用了2种开关状态。为减少开关频率，一方面可在估算逆变器输出电流和选取最佳电压空间矢量之前，增加一个判断条件：

f=g(k+1)-λgmin(k)

(6)

式中，λ为调节系数，为使系统收敛，λ∈[0,1];f为条件判断值。如果f≥0,则重新选择最佳电压矢量；如果f≤ 0,则将Uopt(k)作为第k+1采样周期的逆变器输出最佳电压矢量，从而保持了前后2个采样周期的开关状态不变。

三相四开关有源电力滤波器新型控制策略的程序流程图如图4所示。

3仿真结果

图5　电源电流补偿前后的波形

三相对称电源相电压为220V，频率50Hz；三相四开关APF交流侧输出电感L=8mH,等效电阻R=0.1Ω；直流侧两电容分别取5000μF,其参考电压各为600V；负载为三相不可控整流阻感负载2组Ls1=5mH 、Rs1=6Ω；Ls2=5mH 、Rs2=24Ω；功率器件IGBT开关频率fs=10kHz;采样时间Ts=25μs。

图5为三相四开关APF谐波补偿前后及负载变化时电源电流的波形，系统在0.04s时投入APF运行，仿真时调节系数λ取0，采用6种工作模式触发脉冲驱动IGBT；在0.08s时投入第2组负载，由图5可以看出，补偿后的电源电流波形基本为正弦，且在增大负载后，暂态过程短，补偿效果明显，很好的抑制了谐波电流，提高了系统运行的稳定性。

图6(a)给出了使用原电压空间矢量模式下补偿后的电源电流波形，电流谐波总畴变率(THD)为6.18%。在相同采样频率下，图6(b)给出了使用合成空间矢量模式下的电源电流补偿，仿真时调节系数λ取0，补偿后电流谐波THD为4.01%，提高了APF的补偿精度，满足实际应用。

图6　2种空间矢量模式下的补偿效果仿真

图7　平均开关频率补偿后a相电源电流 THD　与调节系数λ的关系

4结论

1)基于无差拍控制策略，提出一种适用于三相四开关APF的控制方案，定义价值函数g为寻优目标，在一个开关周期内直接选取最优电压矢量，避免了窄脉冲影响，无需复杂的时间计算，实现简单。

2)在满足谐波及无功的补偿容量范围内，应对负载变化，笔者提出的控制策略具有跟踪谐波迅速，抗干扰强等优点。

[参考文献]

[1]Quoc-NamTrinh，Hong-HeeLee.AnAdvancedCurrentControlStrategyforThreePhaseShuntActivePowerFilters[J].IEEEtransactionsonindustrialelectronics,2013,6(12):5400~5410.

[2] 谭兴国,李庆民,王辉.电压不平衡下三相4开关有源电力滤波器电流参考值[J].高压技术，2012,38(11):3101~3108.

[3] 蒋志坚，徐殿国，朱香娟.感应电动机四开关低成本逆变器的磁链轨迹改进控制研究[J].中国电机工程学报，2003，23(11)：74~79.

[4]HuJiefeng,ZhuJianguo,LeiGang,etal.Multi-ObjectiveModel-PredictiveControlforHigh-PowerConverters[J].IEEEtransactionsonenergyconversion,2013,28(3):652~663.

[5]JoséRodríguez,JorgePontt,SilvaCésarA.PredictiveCurrentControlofaVoltageSourceInverter[J].IEEEInternationalonIndustrialElectronics,2007,54(1):495~503.

[编辑]洪云飞

[引著格式]李伟，余仕求.三相四开关有源电力滤波器新型控制策略研究[J].长江大学学报(自科版)，2015,12(34)：27~30.

[中图分类号]TM464

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2015)34-0027-04

通信作者：

[作者简介]李伟(1989-)，男，硕士生，现主要从事变频器与谐波处理方面的研究工作；余仕求，1295467710@qq.com。

[收稿日期]2015-09-27