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)生是其極為關鍵的技術。

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。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，減小開關器件的開關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APF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上提前預測出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.

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

根據(jù)開關器件的導通狀態(tài)可得出8種開關狀態(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：

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