改進(jìn)型空間矢量控制策略在APF上的研究

洪 捷，廖冬初

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

有源電力濾波器是一種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電網(wǎng)諧波，改善電能質(zhì)量的電力電子裝置，其主要功能是逆變出一個(gè)和電網(wǎng)中諧波幅值大小相等、極性相反的諧波電流，來抵消電網(wǎng)中的諧波電流［1］.筆者主要研究逆變諧波的控制策略.目前比較成熟的控制方法有電流滯環(huán)、載波控制、空間矢量等控制策略.本文通過分析電流滯環(huán)和空間矢量控制的優(yōu)缺點(diǎn)，討論了一種將電流滯環(huán)和空間矢量相結(jié)合的改進(jìn)型空間矢量控制方法，以達(dá)到減小開關(guān)頻率，提高控制精度的目的.

1 改進(jìn)型空間矢量控制策略

1.1 電流滯環(huán)控制策略

以圖1中逆變電路的a相為例說明電流滯環(huán)的基本控制思想.令Δica為指令電流i＊ca與實(shí)際電流ica之差.如果Δica＞0，則本周期實(shí)際電流值小于指令值，因此實(shí)際電流要增大，即在下一個(gè)周期時(shí)，主電路中的V1要導(dǎo)通，來增大實(shí)際電流使其趨于指令值.反之，Δica＜0，則本周期的實(shí)際電流值大于指令值，因此實(shí)際電流要減小，即在下一個(gè)周期時(shí)，主電路中的V4要導(dǎo)通，來減小實(shí)際電流使其趨于指令值.同理，b相和c相的控制思想相同.

上面是在環(huán)寬為0的情況下討論的.現(xiàn)設(shè)環(huán)寬為H，H 越大，則主電路的開關(guān)頻率越低，控制精度越低，H越小，則主電路的開關(guān)頻率越高，控制精度越高.但H 太小，會(huì)使開關(guān)頻率過高，加大開關(guān)損耗，甚至損壞開關(guān).

圖1 電壓并聯(lián)型有源電力濾波器原理圖

在全數(shù)字控制系統(tǒng)中，常采用定時(shí)電流滯環(huán)控制策略［2］，即每隔一個(gè)相同的時(shí)間間隔，才對電流進(jìn)行一次判斷.在一個(gè)開關(guān)周期中，開關(guān)管只有兩種工作狀態(tài)，即整個(gè)周期導(dǎo)通或整個(gè)周期關(guān)斷.在開關(guān)頻率較低的情況下，會(huì)導(dǎo)致較大的電流增量，使得電流跟蹤誤差較大，電流波形毛刺大，影響電流跟蹤效果.

在相同的開關(guān)頻率下，若采用空間矢量控制策略［3］，其利用一個(gè)扇區(qū)中兩個(gè)相鄰邊的開關(guān)狀態(tài)相合成的方法，可使開關(guān)管在一個(gè)開關(guān)周期中的任意時(shí)刻導(dǎo)通或關(guān)斷，和電流滯環(huán)相比較，每個(gè)開關(guān)周期的電流增量不會(huì)太大，使得電流增量更加趨近指令值，減小電流跟蹤誤差，電流的跟蹤效果較好.而單獨(dú)使用空間矢量控制策略時(shí)，每個(gè)開關(guān)周期開關(guān)管都會(huì)發(fā)生動(dòng)作，對于所需電流增量非常小的時(shí)刻，開關(guān)管也會(huì)動(dòng)作，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間非常短，對于精度要求不是極高的場合，可看作多余的開關(guān)動(dòng)作.

鑒于兩種控制方法各自的優(yōu)點(diǎn)，本文討論了一種將電流滯環(huán)控制和空間矢量控制相結(jié)合的改進(jìn)型空間矢量控制方法.設(shè)置一個(gè)電流滯環(huán)環(huán)寬，先判斷各相電流增量的絕對值是否在環(huán)寬之內(nèi)，如果在環(huán)寬之內(nèi)，則保持上個(gè)周期的開關(guān)狀態(tài)，如果在環(huán)寬之外，則采用空間矢量技術(shù)計(jì)算新的開關(guān)狀態(tài).在相同的控制周期內(nèi)，此方法不僅減小了空間矢量控制的開關(guān)頻率，而且還減小了電流滯環(huán)的跟蹤誤差.

1.2 空間矢量控制策略在電流滯環(huán)上的應(yīng)用

并聯(lián)型有源電力濾波器主電路建模方程為

有源電力濾波器諧波分析部分，大多數(shù)是采用瞬時(shí)功率理論［4，5］，可求出指令電流的值.通過電流傳感器，可測出此時(shí)刻逆變器輸出三相電流的實(shí)際值.設(shè)置一個(gè)電流滯環(huán)寬度H .計(jì)算各相電流的增量，如果電流增量在環(huán)寬之內(nèi)，則保持上個(gè)開關(guān)周期的狀態(tài)，如果電流增量在環(huán)寬之外，則用空間矢量法計(jì)算新的開關(guān)狀態(tài).

諧波電流的變化速率極快，在實(shí)際工程應(yīng)用中，很難精確地計(jì)算出實(shí)時(shí)的電流變化速率，本文采用一種近似計(jì)算電流變化速率的方法來求取指令電壓.

在數(shù)控系統(tǒng)中，電壓和電流的采樣值都是離散的，將三相電流離散化，則

用本周期實(shí)際值ic替換上一周期的指令值，即ic代替ik－1.用本周期指令值i＊c替換ik，T為采樣周期，則

將三相坐標(biāo)系下的ua（k）、ub（k）、uc（k）變換到兩相坐標(biāo)系下的uα、uβ，則

基本的空間矢量與開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系見圖2.空間矢量實(shí)質(zhì)上就是在滯環(huán)的6種開關(guān)狀態(tài)下增加了（0，0，0）和（1，1，1）兩種開關(guān)狀態(tài)，利用電壓等效的關(guān)系，通過基本矢量對應(yīng)開關(guān)狀態(tài)的組合，得到所需要的輸出電壓Uout.

圖2 基本空間矢量與開關(guān)狀態(tài)圖

如圖2所示，在第三扇區(qū)的Uout由U4和U6合成，則有

其中，T1和T2是U4和U6所對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)的作用時(shí)間；T0是零矢量所對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)的作用時(shí)間；T是控制周期時(shí)間.

將極坐標(biāo)系下的矢量U4和U6映射到兩相垂直坐標(biāo)系中，則

各空間矢量的模值都是3分之2倍的Ud，取其對于根號3分之1倍Ud的標(biāo)幺值，則通過歸一化處理，

同理可求得其他扇區(qū)的T1和T2.令：

則各個(gè)扇區(qū)的T1和T2的值見表1.

表1 T 1、T 2與扇區(qū)的對應(yīng)表

已知T1和T2的值，只要知道他們在哪個(gè)扇區(qū)，就能求出所需的Uout，其所在扇區(qū)由下式判斷：

如果U1大于0，則有U1等于1，否則U1等于0；如果U2大于0，則有U2等于1，否則U2等于0；如果U3大于0，則有U3等于1，否則U3等于0.則Uout所在扇區(qū)為：N＝U1＋2U2＋.

在前面的理論分析中，T1、T2之和是小于T的，但在DSP中實(shí)際分析計(jì)算時(shí)，由于信號采樣環(huán)節(jié)的誤差，是有可能會(huì)出現(xiàn)T1、T2之和大于T的情況.可對T1、T2作如下近似處理：

采用七段式SVPWM序列（圖3），它將一個(gè)開關(guān)周期中的波形分為七段，三段零矢量和四段非零矢量序列.三段零矢量波形把四段非零矢量波形隔開，其優(yōu)點(diǎn)是使輸出波形中諧波含量少，開關(guān)動(dòng)作次數(shù)最少.

圖3 七段式SVPWM波形圖

t0、t7為開關(guān)狀態(tài)（0，0，0）的時(shí)間.t1、t6為開關(guān)狀態(tài)U4（1，0，0）的時(shí)間，且相等.t2、t5為開關(guān)狀態(tài)t6（1，1，0）的時(shí)間，且相等.t3、t4為開管狀態(tài)（1，1，1）的時(shí)間.其中t0、t7、t3、t4四個(gè)零矢量時(shí)間相等.

圖3表示的是第三個(gè)區(qū)域的開關(guān)序列.設(shè)DSP控制芯片PWM波形發(fā)生模塊的比較寄存器1、2、3所對應(yīng)的開關(guān)時(shí)間為TCMP1、TCMP2、TCMP3.則有：

設(shè)：

則在其他區(qū)域的開關(guān)時(shí)間見表2.

表2 寄存器開關(guān)時(shí)間表

2 仿真及結(jié)果分析

筆者在MATLAB7.0平臺上對上述控制思想進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)［7］.如圖1所示，電網(wǎng)側(cè)電壓采用市電電壓220 V，負(fù)載側(cè)為阻感負(fù)載，電阻50Ω，電感1 m H，主電路補(bǔ)償側(cè)電感為5 mH.圖4為補(bǔ)償前電網(wǎng)的電流波形，在APF投入使用之前，電網(wǎng)中的電流畸變較大，含有大量的諧波成份.圖5為APF投入使用后，采用定時(shí)電流滯環(huán)控制策略補(bǔ)償后的局部電流波形，電流已經(jīng)趨于正弦形式，但波形不平滑，有較大的毛刺，這和在1.1節(jié)分析的結(jié)果一樣，由于開關(guān)管在整個(gè)周期內(nèi)只能全開或全斷，因此在某些特殊的時(shí)刻壓差較大，系統(tǒng)控制能力較弱，出現(xiàn)了較大的電流脈動(dòng).圖6為采用改進(jìn)型空間矢量控制方法補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流波形，其在第三個(gè)周期趨于平穩(wěn)，即60 ms，說明控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好且響應(yīng)速度較快.圖7為采用改進(jìn)型空間矢量控制方法補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流的局部波形，波形較平滑，沒有較大的電流脈動(dòng)，說明補(bǔ)償電流能較為準(zhǔn)確地跟蹤指令電流.

圖4 補(bǔ)償前電網(wǎng)側(cè)電流波形

3 結(jié)論

本文討論了一種改進(jìn)型空間矢量控制方法，并應(yīng)用在電壓并聯(lián)型有源電力濾波器上.通過對滯環(huán)環(huán)寬的設(shè)置，減小了高速開關(guān)管的頻率，降低了開關(guān)損耗.在計(jì)算新的開關(guān)管狀態(tài)時(shí)，引入空間矢量控制策略，使補(bǔ)償電流更接近指令值，提高了補(bǔ)償電流的跟蹤性能.在MTALAB平臺上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明了該方法的可行性.

［1］王兆安.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］杜 永.基于全數(shù)字控制的有源電力濾波器的硬件設(shè)計(jì)［D］.河北工業(yè)大學(xué)圖書館，2007.

［3］楊貴杰.空間矢量脈寬調(diào)制方法的研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21（5）：79－83.

［4］徐政譯.瞬時(shí)功率理論及其在電力調(diào)節(jié)中的應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［5］曹金梅.基于ip－iq諧波檢測法的并聯(lián)型有源電力濾波器的研究［D］.哈爾濱理工大學(xué)圖書館，2009.

［6］李 濤.有源電力濾波器的SVPWM控制及DSP實(shí)現(xiàn)研究［D］.華南理工大學(xué)圖書館，2007.

［7］熊 琦.有源電力濾波器的空間矢量控制策略仿真研究［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，26（1）：78－81.