（电工理论与新技术专业论文）基于四桥臂逆变器的有源电力滤波器控制策略的研究.pdf

r e s e a r c ho nt h ec o n t r o l b a s e do nf o u r - l e g s t r a t e g yo f a c t i v ep o w e rf i l t e r v o l t a g e - - s o u r c ei n v e r t e r s a b s t r a c t h a r m o n i cp o l l u t i o ni nt h ep o w e rs y s t e me x e r t sa na d v e r s ei n f l u e n c eo nt h e q u a l i t yo fe l e c t r i c a le n e r g y ，s u c ha sr e d u c e st h es u p p l ye f f i c i e n c yo fe l e c t r i c i t y e q u i p m e n t ，e n d a n g e r st h es a f e t yo ft h ep u b l i cp o w e rg r i d a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i sc o n s i d e r e da so n eo ft h eb e s ts o l u t i o n st or e s o l v et h i si s s u e a p fp i c k s t h r e e - p h a s e c u r r e n ti n t oh a r m o n i cd e t e c t i o nu n i tt o s e p a r a t et h ef u n d a m e n t a l c u r r e n tc o m p o n e n ta n dh a r m o n i cc o m p o n e n t ，p u t st h eh a r m o n i cc u r r e n ti n t op w m c o m m a n du n i tw h i c hc a ns e n dp w m s i g n a l st od r i v ef o u r l e gc o n v e r t e rt op r o d u c e c o m p e n s a t i n gc u r r e n tw h i c hc o u l do f f s e tt h ed i s t o r t i o n t h e c o m p e n s a t ec u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yo fa p fb a s e do n f o u r 1 e g v o l t a g e - s o u r c ei n v e r t e r sw h i c hu s e di nt h r e e p h a s ef o u r w i r ep o w e rs y s t e mi s s t u d i e di nt h i sp a p e r t h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o ds u c ha st h r e e d i m e n s i o n s p a c e v e c t o rm o d u l a t i o na n dh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o la r ei n t r o d u c e d f i r s t l y , t h e r e a d v a n t a g ea n dd e f i c i e n c ya r ea n a l y s e da l s o a ni m p r o v e dh y b r i dc u r r e n tc o n t r o l b a s e do ns p a c ev e c t o ri sp r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n e st h em e r i t so ft h et r a d i t i o n a l c o n t r o lw i t ht h ed e c o u p l e dc o n t r o lt h e o r y m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h i sm e t h o dh a st h ep r o b l e mo fi n e x h a u s t i v ed e c o u p l i n g t h ef a r t h e r i m p r o v e dm e t h o do ft h r e e d i m e n s i o nv e c t o rc u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o li st h ee f f e c t u a l w a y t os o l v et h ep r o b l e ma b o v ea n dh a saw e l lc o m p e n s a t i o n a 1 lo ft h ea n a l y s i sa n dc o n c l u s i o no ft h ec o n t r o lm e t h o da r ee v a l u a t e db yt h e s i m u l a t i o nr e s u l t su s i n gm a t l a b s i m u l i n kp r o g r a m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ef a r t h e ri m p r o v e dt h r e e d i m e n s i o nv e c t o rc u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o lm e t h o d p r o p o s e di nt h i sp a p e ri sv a l i da n df e a s i b l e t h er e s u l t so ft h i sp a p e ra r eh e l p f u lt o t h eo p t i m a ld e s i g no ft h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ；c o n t r o lm e t h o d ；h y b r i dc u r r e n tt r a c k i n g ； v e c t o rc u r r e n tt r a c k i n g ；t h r e e - d i m e n s i o ns p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n 插图清单 图1 1 有源电力滤波器系统框图3 图1 2 分裂电容中点引出式主电路结构4 图1 3 四桥臂式主电路结构4 图1 4 四桥臂逆变器主电路系统5 图2 1a p f 系统框图9 图2 2 输出电压矢量的空间分布1 1 图2 3 单开关周期中的九段p w m 波形1 4 图2 4a p f 系统仿真模型1 5 图2 5 参考电压矢量的区域位置判断模块1 5 图2 6 非零矢量作用时间及p w m 波形产生模块1 5 图2 7 补偿前后三相及中线电流波形比较16 图2 8 补偿前后a 相电流波形f f t 分析结果比较1 6 图2 9a 相指令电流与输出电流波形比较1 7 图2 1 0 滞环电流跟踪控制原理框图1 7 图2 1 l 滞环比较控制的a p f 系统框图1 8 图2 1 2 滞环比较控制时的电流与p w m 控制信号波形1 8 图2 1 3 滞环电流控制仿真系统图2 0 图2 1 4 滞环电流控制的仿真实现2 0 图2 1 5 补偿前后三相及中线电流波形对比2 1 图2 1 6 补偿前后a 相电流的f f t 分析结果对比2 1 图2 1 7a 相指令电流与输出电流波形比较2 2 图3 1 四桥臂逆变器的平均大信号模型2 5 图3 2a p f 的等值电路。2 8 图3 3 三桥臂逆变器输出电压矢量的分布图2 9 图3 4 矢量电流跟踪控制方法控制框图3 0 图3 5 跟踪误差电流矢量的空间分布3 l 图3 6 参考电压及误差电流矢量空间位置区域示意图3 2 图3 7 矢量电流跟踪控制方法的仿真实现3 4 图3 8 参考电压矢量的判据表的仿真实现3 4 图3 9 中线电流跟踪控制的仿真实现3 4 图3 1 0 补偿后的三相及中线电流波形一3 5 图3 1 1 补偿后a 相电流波形的f f t 频谱分析3 5 图3 1 2a 相指令电流与输出电流波形比较3 6 图4 1 四桥臂逆变器电压矢量与电流矢量的空间轨迹3 9 图4 2 三维矢量电流跟踪下的参考电压矢量区域划分图4 0 图4 3 三维矢量电流跟踪下的误差电流矢量区域划分图4 1 图4 4 三维矢量电流跟踪控制下的输出矢量选取示意图4 2 图4 5 三维矢量电流跟踪控制的仿真实现4 3 图4 6 三维矢量电流跟踪控制下的补偿后系统电流波形4 4 图4 7 补偿后a 相电流的f f t 频谱分析4 4 图4 8a 相指令电流与输出电流波形比较4 5 图4 9a 相输出电流的跟踪误差4 5 表格清单 表2 1 四桥臂变流器输出电压矢量表1 0 表2 2 非零电压失量及时间矩阵选取1 3 表2 3a 相电流主要高次谐波含量t h d 比较1 6 表2 4 根据滞环比较结果选择电压矢量及开关状态表1 9 表2 5a 相电流主要高次谐波含量t h d 比较2 1 表3 1 四桥臂逆变器输出电压矢量的qb 相分量表2 4 表3 2 参考电压矢量位置判断条件表3 1 表3 3 误差电流矢量位置判断条件表3 1 表3 4 输出电压矢量的选择判据表3 3 表4 1 三维矢量电流跟踪控制的参考电压矢量位置判断条件4 1 表4 2 三维矢量电流跟踪控制的误差电流矢量位置判断条件4 2 表4 3 三维矢量电流跟踪控制下的输出矢量的选取判定表4 3 表4 4a 相电流主要高次谐波含量t h d 比较4 5 独创性声明 本人声明所吊交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金罡；! ：些厶堂 或其他 教育机构的学位或证1 弓而使用过的材料与我一同j l ：作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：苏 学 签字日期：2 0 l o 年鱼月竺日 、j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥g 垦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权金蟹：! ：些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有犬数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：狄学 签字日期：2 0 1 0 年生月监日 学位论文作者毕业后去向： ：l ：作单位： 通讯地址： 2 0 l o 年 导师签名： v 1 签字日期；j 笠月迕日 致谢 本论文的研究工作是在导师王群京教授的悉心指导下完成的。从课题及论 文的选题、理论研究、仿真实验、硬件实现以及其后的论文撰写，无一不渗透 着导师的心血。导师渊博的学识，严谨的治学态度，敏锐的科学洞察力以及对 科研和育人事业的热情，都使我深受感染并且终身收益。在此论文完成之际， 衷心地对导师表示我深深的敬意与感激。 同时，真诚的感谢李国丽教授和胡存刚老师。在两位老师的指导与帮助下， 让我能更加从容的应对课题研究工作中的一个个难点，并最终克服它们，让研 究工作更加顺利的完成下去。李老师在学术上孜孜以求的探索精神和精益求精 的严谨态度，是我终生追求的目标；胡老师一直以来尽心尽力为我们分忧解难， 在学习生活各方面给于我们最大的帮助，是我们尊敬的良师益友。 在合肥工业大学两年多的求学过程中，还要特别感谢已经毕业的周金斌师 兄，许维国师兄，王强师兄在学习和生活中给予我的帮助和支持。此外，还要 感谢课题组和实验室的漆星、程中杰、王超、闫冰、盛大宁等同学，求学之路 因为我们彼此的帮助与督促，讨论与进取，而变得更加有意义。 最后，感谢我的母亲，因为您默默的支持，让我更加坚强。 作者：张擎 2 0 l o 年4 月 第一章绪论 1 1 电力系统的谐波问题及常用治理方法 随着电力电子装置的应用日益广泛，电能得到了更加高效的利用。但电力 电子装置自身所具有的非线性特征也使得电网中的电流和电压发生畸变，它们 造成的危害已经引起越来越多的关注。在我国，近年来由于电气化铁道的大量 发展以及化工、煤炭、钢铁、冶金、有色金属和交通等工业部门电力电子装置 的大量使用，使电力系统中谐波问题日趋严重，对电力系统和用电设备产生了 严重危害和影响，因此需要认真加以研究和采取相应的限制措施。抑制非线性 设备谐波污染最常用的方法是采用l c 无源滤波器，这种方法既可以补偿谐波， 又可以补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用，但是其主要缺点是补 偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，容易与系统发生并联谐振，导致谐波放 大，另外它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想，因此有源电力滤 波器( a p f ) 的研究和使用引起了人们的广泛关注。 1 1 1 谐波的产生及其危害 国际上对谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为 基波频率的倍数 n 1 。由于谐波的频率是基波的整数倍，谐波也常称为高次谐 波。 电网谐波来源于三个方面：其一是低质量的电源产生谐波；其二是输电网 产生的谐波：其三是用电设备产生的谐波。其中以用电设备产生的谐波最多。 高次谐波对电网和其它系统的危害主要有以下几个方面心喝3 ： 1 在电网中的谐波电流会在线路上产生有功功率损耗，它是电网线路 损耗的一部分。 2 对于采用电缆的输电系统，谐波除了产生附加损耗外，还可能使电压波 形出现尖峰，从而加速电缆绝缘的老化，同时也会使介质损耗增加及温升增高， 缩短电缆的使用寿命。 3 就系统中运行的电机而言，谐波除了引起附加损耗和过热外，还会产生 机械振动、噪声及过电压。当谐波电流流入变压器时，其主要影响是增加铜损 耗和铁损耗，随着谐振频率的增高，还会增大变压器的噪声。 4 谐波会引起电力电网系统局部发生串联谐振和并联谐振，从而使谐波电 流和谐波电压加以放大，更增大情形1 、3 的危害，甚至会引起严重的事故。 5 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不 准确。 6 谐波还会对周围的通信系统产生干扰，引起通信系统的噪声，降低通信 的清晰度。 1 1 2 谐波污染治理的常用方法 目前消除谐波主要有主动型和被动型两种途径。主动型指对电力电子装置 本身进行改进，使其不产生或少产生谐波；被动型则指装备补偿装置，以补偿 产生的谐波分量，比如在电力系统中并联l c 无源滤波器，或在装置的电源侧加 装有源滤波装置等。 被动型谐波抑制技术主要分为使用无源滤波器、有源滤波器及混合滤波器 三种【6 - 7 1 。 无源滤波器具有投资少、结构简单、维护方便及运行可靠等优点，因此一 直作为抑制谐波的主要手段。但由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一 个低阻通路，以起到陷波作用，其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比决定的， 因此存在着以下缺点： 1 谐波特性受系统参数的影响较大。 2 只能消除特定次数的谐波，而对某些次数的谐波会产生放大作用。 3 谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，会造成滤波器过负荷。 4 滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调。 5 电容器参数随介质老化容易发生变化，出现失谐现象。 6 有效材料消耗多，体积大。 因此，为了解决上述问题，更好地治理谐波污染问题，学术界将研究的方 向转移到有源电力滤波装置上来，它是一种能够动态抑制谐波和补偿无功功率 的新型电力电子装置，能够对频率和大小变化的谐波和无功功率进行补偿，可 以弥补无源滤波器的不足，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的 补偿谐波装置，也是目前电力电子技术领域研究的热点课题之一。 1 2 有源电力滤波器在谐波治理中的应用 1 2 1 有源电力滤波器的工作原理 有源电力滤波器( a p f ) 的结构框图如图1 1 所示，图中u 。表示三相电网， 负载为非线性的谐波源。a p f 系统主要由两大部分组成，即指令电流运算电路 和补偿电流发生电路。其中，指令电流运算电路的作用是检测出补偿对象电流 中的谐波，因此也称之为谐波检测电路。补偿电流发生电路的作用是将谐波检 测环节检测出的谐波电流作为指令电流，再通过控制算法得出与谐波指令电流 大小相等、相位相反的补偿电流，送入电网进而抵消谐波电流。指令电流运算 电路即图中的谐波检测环节，补偿电流发生电路即图中的电流跟踪控制环节、 驱动电路及主电路部分。 2 图1 1 有源电力滤波器系统框图 工作原理如下：当需要补偿不对称负载产生的谐波电流时，有源电力滤波 器首先对负载侧电流i 。进行检测并分离出电流基波分量i 。，和谐波分量i m 将i 的极性取反后作为补偿电流的跟踪目标i 。+ ：由补偿电流发生电路产生的补偿电 流i 。即与负载电流中的谐波分量i 。大小相等、方向相反，因而两者互相抵消， 使网侧电流i 。中只含基波电流分量，不含谐波电流分量。这样就达到了抑制电 网谐波电流的目的。上述原理可用一组公式描述： 1 i 5 1 l 十1 c l l 5 1 l f + 1 l k 1 c 2 1l k i 。= i l + i 。= il f 式中i 。，为负载电流的基波分量。 一1 2 3 - 4 本文主要对补偿电流发生环节进行研究，即对于谐波检测环节检测出的谐 波指令电流伯1 ，如何采取有效方法控制主电路产生能够对其进行抵消的补偿电 流。 1 2 2 有源电力滤波器的拓扑及主电路 有源电力滤波器根据其系统结构及接入电网方式的不同可分为几种类型， 包括并联型有源电力滤波器、串联型有源电力滤波器、混合型滤波器( 有源电力 滤波器和无源滤波器的结合) 和串并联结合型的统一电能质量控制器。 其中，并联型有源电力滤波器是在应用中最为常见的一种。它在小容量下 可以通过电抗器直接并接入电网，可以等效为一个受控电流源，它向系统注入 与谐波电流大小相等方向相反的电流，从而达到滤波的目的。并联型a p f 只要 采取适当的控制方法就可以达到多种补偿的目的，即只补偿谐波、只补偿无功 功率( 补偿多少可以根据需要调节) 、补偿三相不对称电流、以及他们之间的任 意结合，国外在工业上已投入运行的a p f 多采用此方案。 并联型有源电力滤波器根据接入电网系统的类型，可分为单相和三相两种 形式，其中后者又可分为三相三线制和三相四线制。我国3 8 0 v 系统均为三相四 线制系统，三相电流之和通常不为零，即存在零序电流，零序电流中既可能存 在零序基波分量也可能存在零序谐波分量，此时采用并联型三相三线制主电路 的电力滤波器无法消除线路中的零序基波电流、谐波电流。并联型三相四线制 有源电力滤波器就是解决这种不平衡问题和谐波问题的有力手段。 目前适用于解决三相四线制电网系统电流谐波问题的a p f 主电路结构主要 有四桥臂式和分裂电容中点引出式，两种拓扑结构分别如图1 2 ，1 3 所示。其 中，分裂电容中点引出式拓扑虽然以其良好的可靠性和低成本得到广泛应用， 但其中线补偿电流要流经上下两个电容，含有大量谐波成分的中线补偿电流使 电容电压波动较为剧烈，从而对逆变器的运行性能产生不利影响，为抑制电压 波动，需要增大电容容量。并且由于两个电容电压值差异的存在，上下电容电 压必然不平衡，需要增加附加的控制措施，导致了硬件成本增加与系统控制的 复杂化 h 9 1 。 图1 2 分裂电容中点引出式主电路结构 图l 3 四桥臂式主电路结构 三相四桥臂式逆变器是在传统的三相桥式逆变器的基础上增加了一个桥 臂，通过该桥臂的作用形成中点，这样通过增加一个桥臂来直接控制中点电压， 并且产生中线补偿电流流入电网中线，使三相四桥臂逆变器可以输出三个独立 的补偿电压，从而使电网有能力在不平衡负载下维持三相电压的对称输出。 这种电路拓扑具有较高的直流电压利用率，并且直流输入电容较小，减小 4 不平衡负载时三相输出的不对称度，逆变器的输入端采用谐振直流环节时，四 个桥臂的功率管均可实现零电压开关。虽然该方法在对逆变器的控制上较分裂 电容中点引出式复杂一些，但仍是目前研究的一个热点。 基于以上的分析，本文针对应用于三相四线制电力系统的以四桥臂逆变器 为主电路的并联型a p f 开展研究( 如图1 4 所示) ，对其控制策略进行深入探讨。 图卜4 四桥臂逆变器主电路系统 c 1 3 有源电力滤波器的控制方法 目前，学术界对于有源电力滤波器的控制方法应经有了诸多探讨，也提出 了一些相关的理论，其中一些已经在样机中进行了实验并投入使用。随着新型 控制理论研究的不断深入，必将会有越来越多的控制方法从仿真走向实际应用 中去。下面对其中的一些常见的控制方法做一总结【l0 j 。 1 三角载波控制方法( t r i a n g l ew a v e 1 i n e a rc o n t r 0 1 ) 它较为简单的一种控制方法，通过主电路输出补偿电流实际值与指令电流 参考值之间的偏差与高频三角载波相比较，得到的高频矩形波作为逆变器各开 关器件的控制信号，从而在逆变器输出端获得所需的电压电流波形。该方法的 优点是动态响应快，开关频率固定，电路实现简单；缺点是输出波形中含有与 三角载波相同频率的高频畸变分量，开关损耗较大，在大功率应用中受到限制。 2 滞环电流控制方法( h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l ，h c c ) 它是目前应用广泛的一种非线性闭环电流控制方法，它利用滞环比较器形 成一个以给定电流为中心的滞环或死区，通过反馈的补偿电流与指令电流的滞 环比较误差来控制逆变器开关器件的动作。滞环电流控制中反馈电流的存在加 快了动态响应的速度，增强了抑制环内扰动的能力，控制精度较高，还可通过 防止逆变器过流而保护功率开关器件。传统滞环控制也有开关频率变化范围大、 负载换路时被控制量常常不能得到有效控制等缺点。 3 空间矢量控制方法( s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ，s v m ) 它是将三相整流器件作为一个整体来考虑，通过控制参与合成参考矢量的 5 几个开关矢量组合的作用时间，使一个控制周期内开关矢量输出的平均效果与 参考矢量相等；其基本思想是在矢量空间中用有限的静止矢量去合成和跟踪调 制波的空间旋转矢量，使合成的空间矢量含有调制波的信息。 采用空间矢量脉宽调制，通过优化开关矢量可有效降低开关频率和减小交 流侧线电流的总谐波畸变率，但受一般微控制器运算能力所限，该控制方法经 常要在实现速度与合成脉宽调制p w m 波形质量之间进行折衷，应用d s p 可使该 控制系统向高可靠、高性能的全数字化方向发展。 4 无差拍控制方法( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) 它是一种在滞环电流控制技术基础上发展起来的全数字化控制技术。该方 法利用前一时刻的补偿电流参考值和实际值，计算出下一时刻的电流参考值及 各种开关状态下逆变器电流输出值，选择使电流误差最小的开关模式作为下一 时刻的开关状态，从而达到电流误差等于零的目标。该方法的优点是能够快速 响应电流的突然变化，特别适合快速暂态控制。缺点是计算量大会造成延迟， 而且对系统参数依赖性较大，影响整个系统的稳定性。近年来不断有新的改进 方法出现。 5 特定消谐法( s e l e c t i v eh a r m o n i ce l i m i n a t i o n ，s h e ) 特定消谐p w m 因其优越的输出频谱特性而受到广泛重视。1 9 7 3 年美国密苏 里大学的h a s m u k hs p a r e l 和r i c h a r dgh o f t 提出了特定消谐p w m 技术，其基本原 理是在周期性输出波形的特定角度上设置合适的缺口，而且输出波形满足半周 期奇对称，四分之一周期偶对称，通过逆变器的斩控作用，将固定幅值的电压 或电流转换成基波含量极高、消除有限低次特定谐波的等效正弦波。在四分之 一周期的波形上，每设置一个缺口就可以消除一种谐波。在相同的t h d 下，特 定消谐p w m 具有开关频率低且固定，开关延时小且开关损耗低，高次谐波相对 于基波的含量不变和次级滤波器易于实现的优点。特定消谐p w m 可以分为单极 性和双极性两种。有关文献利用能量守恒原理实现了特定消谐p w m 开关角的优 化，在不提高开关角数目的情况下，将剩余高次谐波后推，提高了脉冲优化的 效率。 6 单周控制方法( o n e c y c l ec o n t r o l ，o c c ) 它又称积分复位控s u ( i n t e g r a t i o nr e s e tc o n t r o l ，i r c ) ，是一种新型非线性控 制法。基本思想是控制开关占空比，在每个控制周期内使开关变量的平均值与 控制参考信号相等或成比例，从而消除稳态和瞬态误差。 它的优点体现在：开关调制频率恒定，控制系统简单，仅由r s 触发器或d 触发器构成的控制器、比较器、积分器及时钟电路等几部分组成，可在一周期 内消除开关变量和控制参考信号之间的稳态和动态误差。它也具有如下一些明 显的缺点：系统性能易受外界条件的影响，抗干扰性能差，难以稳定工作；补 偿后的电源输出电流波形有畸变，轻载时畸变较严重；系统对电路参数要求十 6 分精确，否则电网侧电路上有电流直流分量产生。目前研究的单周控制a p f 仅 仅适合于中小功率场合。 7 滑模控制方法( s l i d i n gm o d ec o n t r o l ，s m c ) 它是种设计与分析紧密结合、具有对模型不确定和对外界扰动不变化及 鲁棒性强等特点的控制方法，其原理是利用控制的不连续性，依靠其高频转换 强制闭环系统到达并保持在所设计的滑动面上。在一定的条件下滑动模对干扰 与系统参数的变化具有不变性，这也是鲁棒控制所需解决的问题。 基于滑模控制技术的a p f ，首先利用瞬时无功理论对采样信号进行分析， 再进行滑模控制( 包括预设滑模面、测试滑模面的存在条件、滑模面内部的稳定 性分析) ，最后实现p w m 驱动信号输出。d s p 的应用减少了获取参考信号以及分 离谐波电流所需的硬件，特别是在功率器件的功率等级较高时，成本将会大大 降低，增强了系统的鲁棒性，即使在负载变化时直流侧电压也能保持稳定，t h d 较小且功率因数接近l 。然而滑模控制的不连续开关特性容易引起系统的颤动， 这种颤动可能将系统中存在的高频成分激励起来，甚至使系统不稳定。 8 人工神经网络控制方法( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) 它是一个由简单处理单元构成的规模宏大的并行分布式处理器。神经网络 控制的主要特点是它的信息处理并行机制可以解决控制系统中大规模的实时计 算问题，且对复杂不确定问题具有自适应和学习能力。 基于神经网络控制的理想p w m 变换器通过前馈人工神经网络控制开关触 发角，最终可对2 9 次以下的谐波进行全补偿。该系统在主机的子程序进行仿真， 离线训练得到神经网络的权值分量和偏值分量并在初始化时下载到d s p 上，初 始输入值每改变一次，d s p 内相应的子程序就会被调用一次计算触发角，并控 制逆变器开关的通断。该方法使用分段线性神经网络避免了传统s 型函数中复 杂的指数和除法运算，降低了d s p 内的计算时延。但考虑到每次离线计算以及 初始化所需要的时延，该方法不适用于对时变负载进行补偿。 在以上的方法中，传统的a p f 控制策略是前三种方法，应用较为普遍。其 后的一些方法是伴随着新型控制理论的诞生而出现的，有些尚停留在理论研究 阶段，还未得到广泛的实际应用。 本文将首先对传统控制方法中的方法2 ，方法3 进行验证分析，结合其优势 之处并借鉴新型控制理论的一些思想，总结出改进思路并进行仿真实验。 1 4 本论文的主要研究内容 本文主要对应用于三相四线制电力系统的、以四桥臂逆变器为主电路的有 源电力滤波器的补偿电流控制方法进行研究，在对传统的控制方法进行分析的 基础上，总结出一些改进的新思路。论文的研究得到安徽省电力科学研究院项 目：“有源电力滤波器的研制的支持。 7 论文的内容安排如下： 第一章绪论，简要介绍了电力系统的谐波以及其治理方法，对有源电力 滤波器的工作原理及其按不同标准的分类情况进行了分析，引出了本文的研究 对象：应用于三相四线制的以四桥臂逆变器为主电路的a p f 系统，并对其控制 策略做出了总结。 第二章对四桥臂a p f 传统方法一一三维电压空间矢量调制方法和滞环电 流跟踪方法进行分析，并做出仿真，针对其缺陷提出改进方法的思路。 第三章改进的第一种方法，该方法综合传统控制方法的优点，并结合解 耦控制策略，对中线电流可以通过第四桥臂来独立补偿进行说明，在此基础上 实现对主功率电路电流和中线电流的混合控制：对于三相主功率电路采用基于 空间矢量的定时控制的瞬时值比较方法，相应地，第四桥臂采用电流跟踪控制 方法。 第四章改进的第二种方法，该方法避免了解耦时容易出现的问题，将四 个桥臂看做一个整体，在三维空间中运用基于空间矢量的定时控制的瞬时值比 较方法对电网谐波进行了有效的补偿。以上两种方法均进行了仿真实验。 第五章全文进行了总结和展望。总结了所做的工作和成果，指出了研究 中的不足之处和将来的研究方向。 8 第二章四桥臂逆变器a p f 系统的传统控制方法 2 1 三维电压空间矢量调制方法 空间矢量调制( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，s v p w m ) 是一种以交 流电动机双轴理论为基础使输出电压的合成矢量沿预定轨迹旋转的控制方法， 算法的实现步骤较复杂，但容易实现变流器的在线调压，直流侧电压利用率高， 开关频率低，同时这种控制方法有利于d s p 硬件实现。 s v p w m 方法在a p f 系统中应用的基本思路就是将三相四桥臂变流器的端 部电压在复平面内综合成电压矢量，并通过若干开关状态形成一系列的空间矢 量，利用这些电压矢量去合成出谐波电流形成的参考( 指令) 电压矢量，从而形 成作用于交流器的p w m 控制信号。 2 1 1 三维电压空间矢量调制原理 a p f 系统主电路如图2 1 所示。对于三相四桥臂逆变器所带的输出负载可 能不对称，所以不满足x a + x b + x 。= o ( x 为电压或电流量) ，我们需将a b c 坐标 系下的电量转换到q1 3y 三维空间坐标系，它们之间的坐标关系经数学推导得 到如下的关系式n 2 叫引： 丘一 2 = r 【l 五置】r ( 2 1 ) 其中， ， 2 f = 一 3 1一三一1 22 o 笪一鱼 22 11l 222 图2 1a p f 系统框图 9 ( 2 2 ) 图2 1 所示的逆变器有4 个桥臂( 分a ，b ，c ，n 相) 和8 个开关，其中每相桥臂 上的2 个开关管工作在互补的状态，即每相上桥臂开关管导通时，下桥臂开关 管必然关断，反之亦然。为了方便说明，定义如下开关函数： 墨= p 嚣辜黧嚣至嚣嚣忙讪，c ，n ， 亿3 ，1 i 相下桥臂导通，上桥臂关断 一一一一。 1 四桥臂变流器中共有2 4 = 1 6 种开关状态，即有1 6 种输出电压形式，运用上 述变换式将其表达成1 6 种输出电压矢量，其坐标用含有直流侧电压v d 。的代数 式表示，如表2 1 所示。其在q 一1 3 一y 坐标系下的空间分布如图2 - 2 所示1 。 表2 1 四桥臂变流器输出电压矢量表 电压 开关状态电压空间矢量 矢量 序号 s a s b s c s n v 。 v p v ， 0nnnno00 1nnn p o0 v d c 2nn p n ( - 1 3 ) v d 。( 一1 如) v d 。( 1 3 ) v d 。 3nn pp( - 1 3 ) v d 。 ( 一1 拈) v d 。( - 2 3 ) v d 。 4 n p n n ( - 1 3 ) v d 。 ( 1 如) v d 。 ( 1 3 ) v d 。 5n p n p ( - 1 3 ) v d 。( 1 如) v d 。( 2 3 ) v d 。 61 1 pp n ( - 2 3 ) v d 。 0 ( 2 3 ) v d 。 7n ppp( 一2 3 ) v d 。 0 ( 1 3 ) v d 。 8 p nnn ( 2 3 ) v d 。 0 ( 1 3 ) v d 。 9 p nn p ( 2 3 ) v d 。 0 ( - 2 3 ) v d 。 l o p n p n ( 1 3 ) v d 。 ( 1 如) v d 。 ( 2 3 ) v d 。 1 1 p n pp( 1 3 ) v d 。 ( 1 如) v d 。 ( 一1 3 ) v d 。 1 2 pp nn ( 1 3 ) v a 。( 1 如) v d 。( 2 3 ) v d 。 1 3 pp n p ( 1 3 ) v d 。( 1 压) v d 。 ( 1 3 ) v d 。 1 4 ppp n00 v d c 1 5 ppp p 0o0 a p f 系统的谐波检测环节采用基于瞬时无功功率理论的i p i q 算法，检测出 电网系统的谐波分量i 。h ，i b h ，i c h ，通过式( 2 1 ) 变换成q 一1 3 一y 坐标系下的参考 电流矢量，如式( 2 4 ) 所示： l r e f = ，t 。1 3 h ，“】 ( 2 - 4 ) 2 l k ，0 j l z 。q j 对于基于电压源型逆变器的并联型有源电力滤波器，如果采用f c ( f ) ，心( ，) 分别 记其输出电流、电压矢量，而u a t ) 记系统电压矢量，则有源电力滤波器的系统 方程可以简写为式( 2 5 ) 的形式： 三掣+ 尺衲：瓦( f ) 一虿( f ) ( 2 5 ) 1 0 其中，l 、r 分别表示有源滤波器的等效电感和电阻。因为有源电力滤波器的 目标是使其输出电流等于参考电流，即之( f ) = o ( f ) 。将式( 2 5 ) 进行变换得到a p f 主电路需要输出的参考电压矢量，如式( 2 6 ) 所示： 巧( ，) ：ld i m f f ( t ) 4 - 尺i ( ，) + 乏( r ) ( 2 - 6 ) 如果主电路逆变器的输出电压满足式( 2 6 ) ，则其输出电流矢量正好等于参 考电流矢量，即谐波电流矢量，实现了对谐波的有效跟踪，进而取反抵消。所 以，如何利用已有的输出电压矢量去合成出参考电压矢量即成为本算法的关 键。 图2 2 输出电压矢量的空间分布 2 1 2 三维电压空间矢量调制的步骤 三维电压空间矢量调制的思路与二维空间矢量调制相同，也是利用静止电 压矢量( 输出电压矢量) 来合成目标空间矢量的轨迹( 参考电压矢量) ，不同的是 此时目标空间矢量轨迹是在三维空间内运动，比二维下在平面内调制要复杂一 些。由于是在三维空间内，在每个开关周期内，应选取与之相邻的三个非零电 压矢量通过伏秒等效的原则来合成目标空间电压矢量。总体说来共分三步： 的区域位置判断和静止电压矢量的选择；静止电压矢量的作用时间计算；开关 顺序选择及p w m 波形的生成n 5 。1 引。 1 匠的区域位置判断和静止电压矢量的选择 三维空间矢量调制中，要选择合适的静止电压矢量参与合成，需要确定参 考电压矢量的位置。由图2 - 2 可知，可以将1 6 个输出电压矢量构成的六棱柱分解 为六个三棱柱，划分依据跟二维空间矢量调制相同，只由v 。和v 。决定，不受v ， 的影响，其中，二维空间矢量调制方法在本项目组的前期研究中已有论文进行 过深入的阐述，在此不在赘述。在确定参考电压矢量位于某一三棱柱之后，由 于每个三棱柱内含有4 个非零电压矢量和2 个零电压矢量，此时，可以将三棱柱 再次进行划分，将每个三棱柱划分成4 个四面体，每个四面体由3 个非零电压矢 量和2 个零电压矢量组成。这样，只要能够确定参考电压矢量具体所在的四面体， 就可以由组成该四面体的3 个非零电压矢量和2 个零电压矢量来合成所需要的参 考电压矢量轨迹。 参考电压矢量位于哪个四面体的的判断依据是：每个四面体中的非零电压 矢量在a - b - c 坐标下的分量的极性与参考电压矢量相一致。这样，只需要将参考 电压矢量的a b - c 坐标下的分量极性进行比对即可知其位于2 4 个四面体中的某 个，划分的结果见表2 - 2 。 2 静止电压矢量的作用时间计算 根据上述内容就可以确定参考电压矢量位于具体的三棱柱和四面体。为了 对其进行合成，还需要计算组成四面体的3 个非零电压矢量的作用时间，计算的 依据是根据伏秒特性相等的原则，如式( 2 - 7 ) 所示。 jk 矿e = k ，l + 匕f 2 + 巧，3f 9 7 、 it o = 2 ：一，l 一乞一岛 式中，k ，k ，k 是用于合成参考电压矢量的非零电压矢量，t 。，t 。，t 。是非零 电压失量的作用时间，t 。是零电压矢量的作用时间，t 。是开关周期。 例如，当参考电压矢量焉= f 圪可町巧町 2 位于三棱柱1 中的第一个四 面体中时，用于合成其的非零电压矢量为k = p n n n ，k = p n n p ，圪= p p n p ，和零 矢量= p p p p 或n n n n 。将其以坐标的形式表示并带入式( 2 7 ) ，可得t 。，t ：，t3 的表 达式如式( 2 8 ) 所示： f f l l 个卜 o1 ik 可 时钟警北：引 q - 8 当参考电压矢量位于其他的四面体时，由于选用的非零电压矢量不同，式( 2 8 ) 中的3 3 的矩阵也不相同，具体的形式经计算列于表2 - 2 中。 零矢量的作用时间t 。= t 。一t 。一t ：- t 。，当出现过调制时，即t ，+ t 。+ t 。 t 。时，零 矢量的作用时间为零，相应地，t 。，t ：，t 。的取值如式( 2 - 9 ) 所示。 1 2 表2 2 非零电压失量及时间矩阵选取 四面 公 l23 4 三棱柱 v 2 ：p n n p v 3 ：p p n p i 潞割鼹3 2 - , 6 2 二0 。匿荔习雕3 2 - 压2 三0 v 1 ：p p n n v 2 ：p p n p v 3 ： n p n n 3 2 1 6 2 0 陔1 别o !融321 6 2 二o 慝荔习l 苗麓二 1 t i 曩-t2刘162 t 等。船, 6o 降刮曙。刘, 6 o v 2 ： n p p p v 3 ： n n p n -1。121 6 撕2 | 1 1 譬-32割162 0 臀司滕-321 6 2 二o v 1 ： n n p n v 2 ： n n p pv 2 ：p n p n v 3 ：p n p pv 3 ：p n p p v 瞄割-啦3(2-圬2001匿荔习-荔32刘-压2 0 v 1 ：p n p n v 2 ：p n p pv 2 ：p n n n v 3 ：p n n n v 3 ：p n n p f v 2 却t1 憾0 - , 6 二0 ，黼习爵0