基于無(wú)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(dòng)態(tài)抑制諧波的電力電子裝置，其能夠同時(shí)補(bǔ)償多次諧波電流，能實(shí)時(shí)控制、自動(dòng)跟蹤非線性電流并加以控制，有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，且具有改善三相不平衡度的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于有源濾波器諧波電流檢測(cè)與補(bǔ)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(duì)于SVPWM 其控制方法的優(yōu)點(diǎn)主要在于：提高逆變器直流側(cè)電壓的利用率，減小開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率以及減少諧波成分，而且此方法更易實(shí)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(wú)差拍等結(jié)合應(yīng)用。本文采用無(wú)差拍SVP-WM 控制策略，對(duì)APF 的電流進(jìn)行補(bǔ)償控制，以獲得較好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果。

1 電力有源濾波器諧波檢測(cè)方法

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

對(duì)于本文研究主要是采用ip-iq法來(lái)對(duì)電力有源濾波器進(jìn)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(hào)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(hào)之差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，所得到的Δip疊加到瞬時(shí)有功電流的直流分量中，經(jīng)過(guò)運(yùn)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(jìn)行能量互換，從而將Uc調(diào)整到給定值。對(duì)于電力有源濾波器而言，濾波器逆變器直流側(cè)信號(hào)與交流側(cè)信號(hào)的能量交換是本文研究的關(guān)鍵。

2 無(wú)差拍控制簡(jiǎn)介

SVPWM 控制是用指令電流ic*(k) 代替補(bǔ)償電流ic*(k+1)使k 時(shí)刻的補(bǔ)償電流在k+1時(shí)刻完全跟蹤上指令電流，但這樣會(huì)存在一拍的滯后。而基于SVPWM的無(wú)差拍控制則在k 時(shí)刻預(yù)測(cè)出k+1時(shí)刻的指令電流值，并以此代替補(bǔ)償電流，最后通過(guò)SVPWM控制算法產(chǎn)生PWM 脈沖信號(hào)以控制變流器開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而使每一時(shí)刻輸出的補(bǔ)償電流等于其指令電流，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制。無(wú)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(shí)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(shí)刻得到u*(k+1)，須在采樣時(shí)刻的基礎(chǔ)上提前預(yù)測(cè)出ic*(k+1)。再算出u*(k+1)，最后通過(guò)SVPWM方法得到合適的有源濾波器逆變器脈沖控制信號(hào)，從而達(dá)到電流跟蹤控制目的。

3 SVPWM原理與實(shí)現(xiàn)

3.1 逆變器矢量的定義

圖3為并聯(lián)型APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其3個(gè)橋臂分別定義為a,b,c.

定義開(kāi)關(guān)變量用Sa、Sb、Sc來(lái)表示，用“1”表示同一橋臂的上橋臂開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，用“0”表示同一橋臂的下橋臂開(kāi)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(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通狀態(tài)可得出8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其在在α-β坐標(biāo)系上的分布如圖4所示。

3.2 SVPWM算法實(shí)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(gè)扇區(qū)，分別稱(chēng)為I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ。

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

由式(6)得出，矢量Uref可通過(guò)Uα和Uβ來(lái)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(guò)將A,B,C 的數(shù)值帶入到式N=A+2B+4C 中得到所對(duì)應(yīng)的扇區(qū)。

(2)參考矢量Uref的基本矢量作用時(shí)間計(jì)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(shí)間，T1為SVPWM的調(diào)制周期1.通過(guò)伏秒平衡原則，可以得出：

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