基于SVPWM的三電平APF控制系統(tǒng)研究

徐鵬鵬

（河南省商丘市永城市永煤公司新橋煤礦機(jī)電科，河南 商丘476600）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力網(wǎng)諧波污染問題得到了廣泛關(guān)注。有源電力濾波器（APF）［1］能夠?qū)︻l率、幅值均發(fā)生變化的諧波和無功進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)無源電力濾波器的不足，成為電網(wǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)［2］。在高壓、大功率場(chǎng)合，有源電力濾波器通常采用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它能夠產(chǎn)生多階梯的電壓波形，大大降低了電壓波形的畸變率；其開關(guān)損耗小、直流側(cè)電壓利用率高。綜合考慮到上述優(yōu)點(diǎn)以及控制的復(fù)雜性，三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有源電力濾波器有很好的應(yīng)用前景［3］。

本文采用二極管箝位式三電平變換器作為有源電力濾波器主回路，研究了三電平電壓空間矢量調(diào)制（SVPWM）方法，在引入平衡因子控制三電平變換器直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了模糊PI自適應(yīng)控制和三電平SVPWM技術(shù)相結(jié)合的控制方法。三電平拓?fù)涞腁PF控制系統(tǒng)具有高度非線性、時(shí)變不確定性和純滯后的特點(diǎn)，這就決定了傳統(tǒng)PI參數(shù)整定不能滿足實(shí)時(shí)性的要求。將PI調(diào)節(jié)器與模糊控制結(jié)合在一起，能夠彌補(bǔ)2種控制器自身的不足，使得系統(tǒng)在保留比例控制器快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和積分控制器穩(wěn)態(tài)無靜差控制的基礎(chǔ)上，又增加了控制參數(shù)在線自整定的自適應(yīng)能力。最后，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的合理性與可行性。

1 三電平并聯(lián)型APF數(shù)學(xué)模型

如圖1所示，定義開關(guān)函數(shù)Sij（i＝a、b、c，j＝1、2、3），。在三相ABC坐標(biāo)系下三電平APF的數(shù)學(xué)模型為：

式中，Z＝diag［LsLsLsCdCd］；A

X＝［iaibicVdc1Vdc2］T；B＝diag［1 1 1 0 0］；e＝［eaebec0 0］。

2 三電平空間矢量調(diào)制算法

2.1 簡(jiǎn)化的三電平空間矢量調(diào)制算法

圖1 三電平有源濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

若以上、下電容中點(diǎn)為參考點(diǎn)，則三電平變流器輸出的端電壓共有3個(gè)狀態(tài)：Udc／2，0，－Udc／2（狀態(tài)值設(shè)為1，0，－1），三電平變流器電壓空間矢量圖如圖2所示。它可以分解為6個(gè)傳統(tǒng)的兩電平矢量圖，圖2中，6個(gè)小六邊形相互覆蓋。

圖2 電壓空間矢量圖(三電平)

簡(jiǎn)化三電平空間矢量步驟：（1）判斷參考電壓矢量所在大六邊形區(qū)域S；（2）進(jìn)行電壓修正，將三電平空間矢量轉(zhuǎn)換到二電平空間矢量，進(jìn)行歸一化運(yùn)算；（3）按照兩電平SVPWM算法計(jì)算各相鄰主副矢量作用時(shí)間，并確定開關(guān)次序。

2.2 三電平APF直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡優(yōu)化控制

以電壓矢量幅值為根據(jù)，將電壓矢量從大到小分成4類，即大矢量V13～V18、中矢量V7～V12、小矢量V1～V6、零矢量V0。表1列出了小矢量各種冗余狀態(tài)與中點(diǎn)電流之間的關(guān)系［4］。

表1 各冗余狀態(tài)對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流

本系統(tǒng)引入平衡因子f進(jìn)行中點(diǎn)電位控制，上下直流母線的電壓分別為Vdc1、Vdc2。當(dāng)Vdc1＞Vdc2時(shí)，應(yīng)該增加正小矢量作用的時(shí)間同時(shí)增加負(fù)小矢量作用的時(shí)間，以使上母線電壓降低，下母線電壓升高；當(dāng)Vdc1＜Vdc2時(shí)，應(yīng)該增加負(fù)小矢量作用的時(shí)間同時(shí)增加正小矢量作用的時(shí)間，以使下母線電壓降低，上母線電壓升高；考慮到中點(diǎn)電位的波動(dòng)造成開關(guān)管頻繁動(dòng)作，造成開關(guān)損耗增加的情況，定義一個(gè)最小閾值k，當(dāng)ΔV＞k或ΔV＜k時(shí)才調(diào)整［5］，其中 ΔV＝Vdc1－Vdc2。

3 諧波電流模糊PI自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)

首先定義檢測(cè)到的諧波指令電流與實(shí)際APF輸出側(cè)電流反饋的差值為誤差e，誤差變化率為ec。內(nèi)環(huán)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)電流跟蹤誤差e及ec，然后根據(jù)定義好的模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊化推理，經(jīng)過解模糊得到PI控制器中的比例系數(shù)增量ΔKP及積分增量ΔKI，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PI控制器參數(shù)的在線修正，以滿足不同電流跟蹤誤差量的控制需求，使APF獲得了較好的電流跟蹤性能［6］。

A相電流模糊控制器原理如圖3所示，模糊PI自適應(yīng)控制器輸出控制量為APF變換器的參考電壓，也即后級(jí)電壓空間矢量調(diào)制環(huán)節(jié)的給定電壓參考矢量。

圖3 諧波電流模糊PI自適應(yīng)控制原理框圖

3.1 精確量的模糊化

采用二維模糊設(shè)計(jì)一個(gè)兩輸入（e、ec）、兩輸出（ΔKP、ΔKI）的模糊控制器，將e和ec變化范圍定義為模糊集上的論域。e、ec＝｛－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5｝，定義模糊子集：｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝。設(shè)e、ec以及 ΔKP、ΔKI服從三角形隸屬度函數(shù)。

3.2 模糊規(guī)則的建立

PI調(diào)節(jié)器中比例控制環(huán)節(jié)的作用是使系統(tǒng)響應(yīng)速度獲得增加，改善閉環(huán)系統(tǒng)的控制精度；積分系數(shù)的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差［6］。

根據(jù)工程技術(shù)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)可以得出ΔKP、ΔKI模糊規(guī)則控制表，如表2、表3所示。

表2 ΔK P的模糊規(guī)則控制表

表3 ΔK I的模糊規(guī)則控制表

在ΔKP、ΔKI的模糊控制規(guī)則建好后，根據(jù)模糊子集的隸屬度值及各參數(shù)模糊控制規(guī)則，解模糊后得到PI控制器的修正系數(shù) ΔKP、ΔKI［7］。經(jīng)過上述模糊推理后要對(duì)修正參數(shù)ΔKP、ΔKI去模糊化，本系統(tǒng)采用加權(quán)平均法求取輸出的精確值 ΔKp、ΔKI，即可得出：

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該方案的正確性，在Matlab／Simulink中搭建基于模糊PI控制的三電平有源電力濾波器仿真系統(tǒng)。其中參數(shù)設(shè)置為：接入電網(wǎng)電壓380 V，非線性負(fù)載選用三相二極管整流橋帶阻感性負(fù)載，電阻16Ω，電感1 m H。三電平變換器直流側(cè)總電壓Vdc給定值為1 000 V，輸出電感為1 m H，系統(tǒng)采樣頻率為10 k Hz。

圖4所示為補(bǔ)償前電網(wǎng)電流波形圖，圖5所示為模糊PI控制系統(tǒng)補(bǔ)償結(jié)果，可見模糊PI控制的三電平諧波補(bǔ)償控制方案取得良好的補(bǔ)償效果。

圖4 補(bǔ)償前A相諧波電流波形

圖5 采用該方案補(bǔ)償后電網(wǎng)電流波形

圖6 所示為三電平變換器直流側(cè)上、下電容電壓波形?？梢钥闯?，直流側(cè)上、下電容電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)各為500 V，中點(diǎn)電位平衡控制效果良好。在仿真基礎(chǔ)上搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

圖6 三電平變換器直流側(cè)上、下電容電壓波形

圖7 實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種將模糊自適應(yīng)PI控制器與三電平電壓空間矢量調(diào)制相結(jié)合的三電平有源電力濾波器控制方案，相對(duì)常規(guī)的PI控制方法，該方案增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用模糊PI控制的三電平有源電力濾波器，獲得了較好的動(dòng)、靜態(tài)性能，中點(diǎn)電位問題通過調(diào)節(jié)正、負(fù)小矢量作用時(shí)間的控制算法也得到了很好的解決。

［1］張建良，譚國(guó)俊，韓耀飛.三電平有源電力濾波器實(shí)驗(yàn)研究［J］.電力電子，2009（5）

［2］譚國(guó)俊，張建良，韓耀飛.基于SVPWM的并聯(lián)型三電平有源電力濾波器的研究［J］.工礦自動(dòng)化，2009（5）

［3］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］.北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社，1998

［4］韋立祥，劉叢偉，林旭東，等.三電平變流器直流電壓平衡控制方法［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002（9）

［5］周文生，姚鋼，宋文祥.中點(diǎn)箝位型三電平逆變器控制方法的綜合研究［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2008（2）

［6］劉金琨.先進(jìn)PID控制及其 Matlab仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1998

［7］李瓊林，劉會(huì)金，孫建軍，等.基于模糊邏輯的參數(shù)自整定PI控制在有源濾波器中的應(yīng)用［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2005（10）