基于电压空间矢量的滞环电流控制方法和APF的系统设计.pdf

第3 1 卷第5 期 2 0 11 年5 月 电力自动化设备 E k t r i cP o w e rA t J t o m a t i o nE q u i p m e n t V 0 1 3 l N o 5 M a y2 0 1 1 基于电压空问矢量的滞环电流控制方法 和A P F 的系统设计 郑建勇1 2 王杰1 一 梅军1 一 王 磊3 1 东南大学电气工程学院 江苏南京2 1 0 0 9 6 2 苏州市电气设备与自动化重点实验室 江苏苏州2 1 5 1 2 3 3 国家电网公司运行分公司晋东南特高压管理处 山西长治0 4 6 0 0 0 摘要 提出了一种基于电压空间矢量的滞环电流控制方法 该方法将相电流误差通过滞环比较器得到3 组 电流误差矢量 并通过对电流误差矢量和参考电压矢量扇区的判别输出最优电压矢量 从而使电流误差控制 在滞环宽度内 该方法能有效地消除相间影响 并且能够在较低的开关频率下有效地限制电流误差 既有较 好的电流响应速度 又有较好的电流跟踪性能 设计了基于D S P F P G A 的全数字控制系统 极大提高整个系 统的稳定性 仿真和实验结果验证了控制策略的正确性 关键词 电流跟踪 电压空间矢量 滞环电流控制 D S P F P G A 中图分类号 T M7 6 1 文献标识码 A文章编号 1 0 0 6 6 0 4 7 2 0 1 1 0 5 0 0 4 9 0 4 0 引言 有源电力滤波器 A P F 是目前进行谐波治理的 有效装置 1 引 其性能很大程度上取决于电流跟踪控 制电路采用的电流控制方法 目前 电流控制技术较 为成熟 特别是滞环电流控制方法得到了较为广泛 的应用 但是滞环电流控制方法开关频率波动较大 稳定性相对不高 本文提出了一种基于电压空间矢量的滞环电流 控制新方法 5 7 1 该方法使用3 组滞环比较器 根据 相电流误差的比较状态值和对参考电压矢量的区域 判别 得到最佳的电压矢量 从而使A P F 输出电流 量跟踪指令电流 文中还设计了基于D S P 二n G A 的全 数字控制系统 1 基于电压空间矢量的滞环控制算法 1 1 控制原理 基于电压源逆变器的有源滤波器的等值电路如 图1 所示 在三相三线系统中 设直流侧电容电压为恒定值 魄 以 仇 以为系统电压 则由图1 可得式 1 图l 有源滤波器等值电路 F i g 1E q u i v a l e n tc i r c u i to fA P F 收藕日期 2 0 1 0 0 8 一0 5 修回日期 2 0 1 1 0 2 2 5 D f u R i L d i d 以 u b R i 南 d 屯 d t 巩 1 I u R i L d i d t 阢 其中 所有电压均以系统中性点0 为参考点 引入开关函数S S b 5 可以得到A P F 输出相电 压如下 f 2 S 一S b S 乩 3 U b 2 S b S o 一 魄 3 2 I U e 一 2 S 一S S b 乩 3 由式 2 可以看出A P F 各相输出电压取决于三 桥臂的总状态鼠 将8 种开关函数组合代入式 2 可以得到相应的A P F 输出相电压值 如表1 所示 电 压以魄为基准 表1 艮的模式和A P F 的输出 T a b 1 趾m o d e sa n dA P Fo u t p u t s O 2 3 l 3 一l 3 2 3 一l 3 l 3 O 0 一l 3 l 3 2 3 l 3 一l 3 2 3 O O l 3 2 3 一l 3 l 3 2 3 l 3 O 为了消除相间影响 引入空间矢量 将8 种开关 函数组合代入式 2 然后通过静止正交a 一卢坐标 变换可以得到相应的A P F 输出端电压矢量方程式 阢 争魄 3 k l 6 3 1 0后 0 7 8 种开关模式所对应的A P F 输出电压矢量仉 仉一砺阢以以玑玩玩珥趾一咖啪m啪叭鲫埘 万方数据 电力自动化设备第3 1 卷 0 7 将矢量空间划分为6 个三角形区域 记为 I 一 如图2 所示 图2 仉的空间矢量图 F i g 2S p a c ev e c t o ro f 仉 由式 1 通过口一口变换可得A P F 输出端电压矢 量方程式 口 d t d f 尺t U 4 设A P F 输出指令电流矢量为e 砧 为指令电流 对应的A P F 输出参考电压矢量 由式 4 有 d d R e U 5 由式 5 减式 4 H 忽略交流侧电阻 有 L d A i d t u u 6 其中 茁为电流误差矢量 由式 6 可以得到 参考电压矢量口 与A P F 输 出电压矢量抛的电压偏差决定电流误差矢量越的 变化率 对于给定的参考电压矢量口 可以选择合适 的A P F 输出电压矢量阢来控制误差矢量茁的变化 率d A i d t 从而控制电流误差矢量I 位I 据此得到 基于电压空间矢量的滞环电流控制原理如图3 所 示 将 屯 屯 i 通过3 组滞环比较单元得到比 较状态值口 B B b B 然后通过对搿 的区域判别 由电压空间矢量选择逻辑得到最佳阢 即可得到相 应的开关矢量 从而使A P F 输出电流跟踪 指令电流 屯 越c b 图3 基于电压空间矢量的滞环电流控制 F i g 3H y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o lb a s e do n v o l t a g es p a c ev e c t o r 1 2 阢的选择判据 6 个区域I 是由六边形的3 条对角线隔开 的 这3 条对角线分别对应于 t a b 0 u L 0 u I O 的 情形 如图4 所示 参考电压矢量H 的所在区域可以由A P F 输出 参考线电压比 畦 M 二的符号来判断 例如 若磕 昏 O 麝沆一近 0 u 二 l l 一疋 O 则记为 马 总芝笠 a b 7 围4 矿的区域检测 F i g 4R e g i o nd e t e r m i n a t i o no f 口 3 个滞环比较器用来跟踪指令电流矢量并把电 流误差控制在滞环宽度内 鼠表示a 相电流误差被 束缚的状态 当a 相电流误差超过滞环比较器的上 限 b 相电流误差低于滞环比较器的下限时 B 产l B b O 当B b 1 B 1 用电压矢量U 同时增加b 相 电流i b 和c 相电流i 另一方面当B 0 B b O 用电 压矢量巩同时降低a 相电流i 和b 相电流瓦 在其 他情况下 运用零电流矢量砜 I 区域的开关表 列于表2 表2 仉的选择判据表 T a b 2S w i t c h i n gt a b l eo f 巩 H 所在区域尻B b日 巩H 所在区域鼠风及仉 01I 阢 10 0 仉 1001 巩 1l0 U 5 其他 巩 其他 砜 00l 仉 1l0 矾 l01 仉 V0l0 仉 其他巩其他巩 10l 弘 01 0玩 100 阢 01 1U I 其他 仉 其他 现 2A P F 的系统设计 一 A P F 控制系统及选用的控制算法是其滤波效果 好坏的关键 本文设计了基于D S P F P G A 的全数字 A P F 的控制系统 其控制系统的框图如图5 所示 三相负载电流 桥臂侧补偿电流和直流侧电压流入 传感器信号测量电路 经前置滤波电路滤波后送入 A D 7 6 5 6 进行采样 D S P 对采样值进行比较计算 发 出开关信号给H G A 在整个控制系统中 D S P 主要 用来完成采样控制 电压调节 指令电流计算和开关 信号的生成等功能 F P G A 的功能主要是生成高精 电压霍尔 传感器 电压霍尔 传感器 几酗 l 霍尔I I 传感器 过零比 较电路 输出方波 D S P 捕获 箝曛I G B T路l JI模块 图5 并联有源电力滤波器控制系统框图 F i s 5S t r u c t u r eo fs h u n tA P Fc o n t r o ls y s t e m 相旦一傀些一 丛一电 相压 流压 腆 一卿 邀辱羰 一 电l l 橱流 万方数据 第5 期 郑建勇 等 基于电压李问矢馈的滞环电流控制方法和A P F 的系统设计 度的驱动脉冲 并且实现对A P F 的过电压 过电流 以及开关器件故障的保护功能 控制系统中的D S P 芯片选用的是美国耵公司生产的T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 芯片 F P G A 采用的则是A l t e r a 公司C y c l o n e 系列的 E P l C 6 Q 2 4 0 C 8 为了提高采样精度 系统并未选用 D S P 2 8 1 2 内部集成的1 2 位的A D C 而是使用了 A n a l o gD e v i c e 公司生产的A D 7 6 5 6 芯片来对信号进 行采样 为了消除锁相环 P L L 失锁现象造成的相位偏 差 系统设计了过零检测电路 过零检测输出波形如 图6 所示 用电压传感器检测a 相相电压 得到与a 相相电压同相位而幅值较小的正弦波信号 经过零 检测电路后得到幅值为5V 频率和正弦波信号相同 的5 0 H z 方波信号 将该方波送至D S P 捕获口 对其 上升沿进行捕获 通过对方波信号2 次上升沿的捕 获可以得到交流信号的周期 通过软件倍频 将1 2 8 k H z 的采样频率送至A D 7 6 5 6 从而完成A D 7 6 5 6 对各路 信号的采样 图6 过零检测输出波形 F i g 6O u t p u tw a v e f o l T no fz e r o c r o s s i n gd e t e c t i o n 当D S P 向I G B T 模块发出开关控制信号时 由 于D S P 的信号高低变化很快 很有可能使I G B T 上 下桥臂瞬间处于直通状态而使I G B T 模块烧坏 因此 设计了F P G A 的死区时间逻辑 D S P 的开关控制信 号先输出给F P G A 经过死区时间逻辑处理后再由 F P G A 输出 可以有效地防止I G B T 模块上 下桥臂 的直通 从而提高系统的稳定性 图7 为F P G A 输出 的一组插入死区时间的用于控制I G B T 上 下管的互 补信号 设置的死区时间为2 5 s 图7F P G A 输出的互补P W M 脉冲 F i g 7C o m p l e m e n t a r yP W Mp u l s eo fF P G A 此外 本文还设计了防直通互锁逻辑 当F P G A 同时收到来自D S P 的某相上 下桥臂同时导通的高 电平开关信号时 防直通逻辑能迅速关断输出 强迫 控制信号为低电平 使桥臂关闭 3 仿真和实验结果 采用了P S C A D E M T D C 仿真软件对普通的滞 环电流控制和基于电压空间矢量的滞环控制2 种控 制方法进行了仿真 在仿真中 取a b C 三相系统基 波电压有效值为2 2 0V 相位依次相差1 2 0 0 负载端 为三相全桥二极管整流阻感负载 取 1 0m H R 1 5Q 直流侧电压采用P I 调节 设定值为9 0 0 V 谐 波检测采用i 一 的谐波检测方法 桥臂侧采用4m H 的连接电感 仿真结果如图8 所示 采用普通的滞 环控制方式补偿后的网侧电流畸变率为8 6 而采 用基于电压空间矢量的滞环电流控制方式补偿后的 网侧电流畸变率为7 4 t s a 三相系统电压 t s b 补偿前a 相负载电流 t s c 采用普通滞环控制方法后a 相电网电流 t B d 采用基于电压空间矢景滞环 控制方法补偿后a 相电网电流 图82 种控制方法的对比仿真结果 F i g 8S i m u l a t i v er e s u l t so f t w oc o n t r o lm e t h o d s 在理论知识分析的基础上 搭建了一个并联A P F 的实验系统 试验条件为三相交流电源电压为2 2 0V 频率为5 0H z A P F 的耦合电感 为4m H 直流侧电 容为47 0 0p F 直流侧电压采用P I 调节 设定值为 8 5 0 V 负载为三相不控整流阻感负载 电阻1 5Q 电 感l O m H 谐波检测采用毛一屯谐波电流检测方法 通 过F L U K E 4 3 B 分析得到的实验结果如图9 所示 补 偿前系统电流的畸变率为2 0 7 采用普通的滞环 控制方式补偿后的网侧电流畸变率为7 8 采用文 中提出的控制方法补偿后得到的系统电流畸变率 为5 8 t S a 补偿前a 相负载电流 万方数据 J J t l s b 采用普通滞环控制方法补偿后a 相电网电流 4 结语 t S c 采用基于电压空间矢量滞环 控制方法补偿后a 相电网电流 圈92 种控制方法的对比实验结果 F i g 9E x p e r i m e n t a lr e s u l t so f t w oc o n t r o lm e t l l o d s 本文提出了一种能应用于A P F 的基于电压空间 矢量的滞环电流控制新方法 该方法以相电流误差 作为控制对象 使用3 组滞环比较器 并通过对电流 误差矢量和参考电压矢量扇区的判别 输出最优电 压矢量 从而实现了在电压空间矢量基础上的滞环 控制 该方法控制简单 运算量小 能有效地消除相 间影响 并且能够在较低的开关频率下获得较好的 电流跟踪性能 基于D S P F P G A 的全数字控制系 统 综合D S P 强大的数据处理能力和F P G A 的逻辑 控制方法 能极大提高系统的响应速度 开关信号 通过F P G A 逻辑控制电路能得到高精度的驱动脉 冲 并且能实现对A P F 的过电压 过电流以及开关 器件故障的保护功能 从而提高整个系统的稳定性 参考文献 1 陈国柱 吕征宇 钱照明 有源电力滤波器一般原理及应用 J 中国电机工程学报 2 0 0 0 2 0 9 1 7 2 1 C H E NG u o z h u L 0Z h e n g y u Q I A NZ h a o m i n g T h eg e n e r a lp r i n c i p l e o f a c t i v ep o w e rf i l t e ra n di t sa p p l i c a t i o n J P r o c e e d i n g so ft h e C S E E 2 0 0 0 2 0 9 1 7 2 1 2 E L H A B R O U KM D A R W I S HMK M E H T AP A c t i v ef i l t e r a r e v i e w J I E EP r o c e e d i n g E l e c t r i cP o w e rA p p l i c a t i o n s 2 0 0 0 1 4 7 5 4 0 0 4 1 3 3 王兆安 杨君 刘进军 谐波抑制和无功补偿 M 北京 机械工 业出版社 2 0 0 4 2 5 7 3 7 6 4 J O UHL W UJC C H A N GYH e ta 1 An o v e la c t i v ep O W e r f i l t e rf o rh a r m o n i cs u p p r e s s i o n J I E E ET r a n s a c t i o n so nP o w e r D e l i v e r y 2 0 0 5 2 0 2 1 5 0 7 1 5 1 3 5 曾江 刁勤华 倪以信 等 基于最优电压矢量的有源滤波器电流 控制新方法 J 电力系统自动化 2 0 0 0 2 4 6 2 5 3 1 Z E N GJ i a n g D I A OQ i n h u a N I Y i x i n e ta 1 An o v e lc u r r e n t c o n t r o lm e t h o df o r a c t i v ep o w e rf i l t e rb a s e do no p t i m a lv o l t a g e v e e t o r J A u t o m a t i o no f E l e c t r i cP o w e rS y s t e m s 2 0 0 0 2 4 6 2 5 3 1 6 姜俊峰 刘会金 陈允平 等 有源滤波器的电压空间矢量双滞环 电流控制新方法 J 中国电机工程学报 2 0 0 4 2 4 1 0 8 2 8 6 J I A N GJ u n f e n g U UH u i j i n C H E NY u n p i n g e ta 1 An o v e ld o u b l e h y s t e r e s i s c u r r e n tc o n t r o lm e t h o df o ra c t i v ep o w e rf i l t e rw i t h v o l t a g es p a c ev e c t o r J P r o c e e d i n g so ft h eC S E E 2 0 0 4 2 4 1 0 8 2 8 6 7 曾国宏 郝荣泰 有源滤波器滞环电流控制的矢量方法 J 电力 系统自动化 2 0 0 3 2 7 5 3 1 4 0 Z E N GG u o h o n g H A OR o n g t a LAn o v e lp h a s e c o r r e l a t i n gh y s t e r e s i s c u r r e n tc o n t r o lm e t h o df o ra c t i v ep o w e rf i h e r J A u t o m a t i o no f E l e c t r i cP o w e rS y s t e m s 2 0 0 3 2 7 5 3 1 4 0 实习编辑 李莉 作者简介 郑建勇 1 9 6 6 一 男 江苏南京人 教授 博士研究生导 师 研究方向为电力电子与电力传动 王 杰 1 9 8 4 一 男 山西临汾人 硕士研究生 研究方向 为谐波抑制与无功补偿 E m a n w a n g j i e s c h o o l 1 6 3 c o r n H y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o lb a s e do nv o l t a g es p a c ev e c t o ra n dA P Fs y s t e md e s i g n Z H E N Gj i a n y o n 9 1 2 W A N GJ i e l 一 M E IJ u n l t 一 W A N GL e i 3 1 C o l l e g eo fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g S o u t h e a s tU n i v e r s i t y N a n j i n g2 1 0 0 9 6 C h i n a 2 L a b o r a t o r yo fE l e c t r i c a lE q u i p m e n ta n dA u t o m a t i o ni nS u z h o u S u z h o u2 1 5 1 2 3 C h i n a 3 M a n a g e m e n to fE x t r a H i g h V o l t a g eo fS G C Ci nS o u t h e a s to fS h a n x i C h a n g z h i0 4 6 0 0 0 C h i n a A b s t r a c t Ah y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o lb a s e do nv o l t a g es p a c ev e c t o ri sp r o p o s e d w h i c ho b t a i n st h r e e g r o u p so fc u r r e n te r r o r v e c t o rb yi m p o r t i n gt h ep h a s ec u r r e n te r r o rt ot h eh y s t e r e s i sc o m p a r a t o ra n do u t p u t s t h eo p t i m a lv o l t a g e s p a c eb