基于無差拍SVPWM的有源濾波器研究

0 引言

有源電力濾波器(Active Power Filter,APF)作為一種用于動態(tài)抑制諧波的電力電子裝置，其能夠同時補償多次諧波電流，能實時控制、自動跟蹤非線性電流并加以控制，有較快的動態(tài)響應(yīng)速度，且具有改善三相不平衡度的優(yōu)點。對于有源濾波器諧波電流檢測與補償電流的發(fā)生是其極為關(guān)鍵的技術(shù)。

有源電力濾波器的電流控制一般采用PWM(PulseWidth Modulation)模式，目前常用的PWM 控制方式有滯環(huán)電流控制(Current Follow Pulse Width Modulation,CFPWM)、三角波電流控制(ΔPulse Width Modulation,ΔPWM)和電壓空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector PulseWidth Modulation,SVPWM)三種技術(shù)。對于SVPWM 其控制方法的優(yōu)點主要在于：提高逆變器直流側(cè)電壓的利用率，減小開關(guān)器件的開關(guān)頻率以及減少諧波成分，而且此方法更易實現(xiàn)數(shù)字化。因此，逆變電路控制常采用此種方法。在APF的應(yīng)用中，SVPWM常與滯環(huán)比較，PI調(diào)節(jié)器以及無差拍等結(jié)合應(yīng)用。本文采用無差拍SVP-WM 控制策略，對APF 的電流進行補償控制，以獲得較好的動態(tài)補償效果。

1 電力有源濾波器諧波檢測方法

有源濾波器的諧波電流檢測方法由時域和頻域檢測法構(gòu)成。時域檢測法主要分為：有功電流分離法和基于瞬時無功功率原理的p-q 法，ip-iq法以及d-q 法等。頻域檢測法主要有FFT法和諧波濾波器法等。

對于本文研究主要是采用ip-iq法來對電力有源濾波器進行分析研究，由圖1可看出其原理。圖中虛線框內(nèi)為直流側(cè)電壓反饋控制部分，正余弦信號sin ωt 和-cos ωt 由鎖相環(huán)PLL發(fā)生電路產(chǎn)生。其中sin ωt 與a相輸入電壓ua同相;逆變電路直流側(cè)電壓的給定值為Ucr,Ucf 是反饋值，將這兩路信號之差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，所得到的Δip疊加到瞬時有功電流的直流分量中，經(jīng)過運算得出指令電流ih 中所含基波有功電流，從而令A(yù)PF直流側(cè)與交流側(cè)進行能量互換，從而將Uc調(diào)整到給定值。對于電力有源濾波器而言，濾波器逆變器直流側(cè)信號與交流側(cè)信號的能量交換是本文研究的關(guān)鍵。

2 無差拍控制簡介

SVPWM 控制是用指令電流ic*(k) 代替補償電流ic*(k+1)使k 時刻的補償電流在k+1時刻完全跟蹤上指令電流，但這樣會存在一拍的滯后。而基于SVPWM的無差拍控制則在k 時刻預(yù)測出k+1時刻的指令電流值，并以此代替補償電流，最后通過SVPWM控制算法產(chǎn)生PWM 脈沖信號以控制變流器開關(guān)器件的通斷，從而使每一時刻輸出的補償電流等于其指令電流，實現(xiàn)了實時控制。無差拍SVPWM的控制原理如圖2所示。

式中：ts為采樣周期;ic*(k+1)和u*(k+1)分別為k+1采樣時刻有源電力濾波器的指令電流與參考電壓。

為了能夠在k 時刻得到u*(k+1)，須在采樣時刻的基礎(chǔ)上提前預(yù)測出ic*(k+1)。再算出u*(k+1)，最后通過SVPWM方法得到合適的有源濾波器逆變器脈沖控制信號，從而達到電流跟蹤控制目的。

3 SVPWM原理與實現(xiàn)

3.1 逆變器矢量的定義

圖3為并聯(lián)型APF拓撲結(jié)構(gòu)圖，其3個橋臂分別定義為a,b,c.

定義開關(guān)變量用Sa、Sb、Sc來表示，用“1”表示同一橋臂的上橋臂開關(guān)導(dǎo)通，用“0”表示同一橋臂的下橋臂開關(guān)導(dǎo)通，如“100”表示a相的上橋臂導(dǎo)通、b相的下橋臂導(dǎo)通、c相的下橋臂導(dǎo)通。則三相電壓可表示為：

根據(jù)開關(guān)器件的導(dǎo)通狀態(tài)可得出8種開關(guān)狀態(tài)，其在在α-β坐標系上的分布如圖4所示。

3.2 SVPWM算法實現(xiàn)

(1)參考矢量Uref扇區(qū)的判定

圖4把6種有效狀態(tài)所圍成的6邊形分成6個扇區(qū)，分別稱為I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ。

通過α-β坐標系中的Uα與Uβ進行運算得出Uref所在扇區(qū)N 的值。通過3 2 的變換等式如式(6)所示。

由式(6)得出，矢量Uref可通過Uα和Uβ來表示。定義變量A,B,C:若U1>0,A=1 否則A=0;若U2>0,B=1,否則B=0;若U3>0,C=1,否則C=0.通過將A,B,C 的數(shù)值帶入到式N=A+2B+4C 中得到所對應(yīng)的扇區(qū)。

(2)參考矢量Uref的基本矢量作用時間計算

在圖4中，設(shè)參考矢量Uref位于六邊形扇區(qū)Ⅲ中，相鄰的矢量為U1(100)、U2(110)，設(shè)t1與t2分別為其作用時間，T1為SVPWM的調(diào)制周期1.通過伏秒平衡原則，可以得出：

在實際情況中，系統(tǒng)中的電流有可能發(fā)生較大的突變現(xiàn)象，使得數(shù)字電流環(huán)中的參考電壓矢量超出變流器輸出的最大電壓，因此判斷其是否飽和是確保合適的空間矢量調(diào)制方法。若t1+t2≤Ts,則無需糾正，有：

式(12)中的T0為零矢量的作用時間。

(3)變流器觸發(fā)方案

選擇適當(dāng)?shù)目臻g基本矢量作用時間切換點調(diào)制方案是脈沖產(chǎn)生的前提條件。本文采用對稱七段式PWM方式，即以零矢量000作為開關(guān)周期的起始與結(jié)束，111為中間矢量，在實際系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)盡可能地減少開關(guān)狀態(tài)變化時所引起的開關(guān)損耗，因此每一個開關(guān)狀態(tài)都的遵守一個原則：每次開關(guān)狀態(tài)切換時只有一個開關(guān)運作。

調(diào)制順序為：000→100→110→111→110→100→000,圖5為調(diào)制后的變流器觸發(fā)脈沖信號。

4 基于Matlab 的仿真

通過Matlab 仿真，對無差拍SVPWM 控制策略的APF 建立仿真模型，仿真模型參數(shù)設(shè)計為：電抗L 為2 mH,線電壓380 V的三相交流電源，APF直流側(cè)電壓為800 V,負載為阻性負載與三相不控整流橋，其阻值為5 Ω，開關(guān)頻率8 kHz.電力有源濾波器Matlab 仿真如圖6所示，其仿真波形如圖7所示。

仿真結(jié)果表明，a相電流電流通過APF諧波補償后基本保持正弦。由此得出，APF具有較好的電流跟蹤與補償?shù)男Ч?/p>

5 實驗結(jié)果

在APF實驗中，采用DSP來實現(xiàn)無差拍SVPWM 控制策略，并將其應(yīng)用于非線性負載中進行諧波補償。實驗設(shè)計參數(shù)：電源為線電壓為380 V 的交流電，交流側(cè)為電阻為5 mΩ，連接電抗2 mH,非線性負載側(cè)含有阻值5 Ω的電阻負載，在實驗系統(tǒng)中測得濾波器直流側(cè)電壓為800 V,采樣頻率為10 kHz.圖8為APF的實驗波形。

通過實驗波形與頻譜圖分析可以得出，當(dāng)APF接入系統(tǒng)后，由圖8(c)可以看出無差拍SVPWM控制算法能夠取得較好的諧波電流跟蹤和補償?shù)哪芰ΑＳ蓤D8(d)APF投入后電流的THD由26.7%變?yōu)?.6%,更進一步證明了無差拍SVPWM 控制策略擁有較好的電流跟蹤效果。

6 結(jié)論

本文采用無差拍SVPWM 作為濾波器的控制策略進行研究，通過預(yù)測算法預(yù)測出補償點流的參考值，而后再計算得出下一時刻的輸出電壓參考值，最后通過空間電壓矢量調(diào)制得出PWM 脈沖信號，實現(xiàn)補償電流得到較好跟蹤控制的目標。通過仿真與實驗該方法的可行性。仿真與實驗表明此方法能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)補償電流的跟蹤控制，而且還具有良好的動態(tài)補償性能。