同步旋转坐标系下的APF滞环SVPWM容错控制方法与流程

本发明属于有源电力滤波器技术领域，具体涉及一种同步旋转坐标系下的apf滞环svpwm容错控制方法。

背景技术：

目前，关于有源电力滤波器(activepowerfilter，apf)容错控制的研究主要集中在故障诊断策略和故障状态下的电流跟踪控制方法2个方面。当三相六开关apf主电路中的某个开关器件发生故障时，首先利用故障诊断策略确定故障位置，迅速切断该故障相；并将该故障相的输出端转接至逆变器直流侧中点处，此时原三相六开关逆变器等效为三相四开关逆变器。

其中，故障状态下的电流跟踪控制是利用故障状态下的三相四开关逆变器，完成对谐波电流的实时跟踪补偿控制，使apf可以在逆变器某个开关器件发生故障的情况下继续稳定运行，即实现容错控制。该方面的研究可分为3类：①电流控制器的设计，quoc-namtrinh等人在标题为anadvancedcurrentcontrolstrategyforthree-phaseshuntactivepowerfilters(ieeetransactionsonindustrialelectronics，2013，60(12)：5400-5410)的文章提出了一种apf并联矢量比例积分电流控制器；②apf直流侧电压稳定控制，董伟杰等人在标题为“基于pi神经元网络的三相四开关电力有源滤波器研究(中国电机工程学报，2014，24：4068-4075)”的文章中研究了三相四开关apf逆变器直流母线电压稳定和电容电压均衡控制策略；③电压矢量合成策略，董伟杰等人在标题为“电力有源滤波器故障诊断与容错控制研究(中国电机工程学报，2013，33(18)：65-72)”的文章中通过4个有效电压矢量的合成，实现了故障状态下的电流跟踪控制。

上述研究通常需要先计算apf的参考电压矢量，然后利用svpwm策略合成该参考电压矢量，最终实现谐波补偿。但是在实践应用中，apf的阻抗参数和参考电压矢量往往难以精确计算，其计算误差势必会对补偿精度造成影响。朱宁辉等人在标题为“自适应参数的有源电力滤波器svpwm控制方法研究(中国电机工程学报，2012，s1：188-193)”的文章中利用参数辨识的方法来提高参考电压矢量的计算精度，但该方法会增加系统的计算量和控制器的复杂程度，不利于实际应用。

滞环svpwm方法算法简单，响应速度快，且不需要计算参考电压矢量，能够降低参数误差对补偿精度的影响，因此在实践中得到了广泛应用。然而，当apf进行容错控制时，主电路由三相六开关逆变器切换为三相四开关逆变器；与此同时，逆变器的有效电压矢量也由原来的6个降为4个，可控程度明显降低，导致应用于三相六开关apf的传统滞环svpwm策略已经无法继续使用。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种同步旋转坐标系下的apf滞环svpwm容错控制方法。

1、一种同步旋转坐标系下的apf滞环svpwm容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在有源电力滤波器运行过程中，当有源电力滤波器的逆变器中某个电力电子器件开路或者断路时，将其对应相输出端连接至逆变器直流侧中点；

步骤2：通过有源电力滤波器中dsp确定在有源电力滤波器故障时的有功电流分量idc^*；

步骤2.1：根据电网输出a相电压us，a经过锁相环和正弦发生器运算，得到相位角θ；

步骤2.2：根据相位角θ通过pi控制算法得到维持逆变器直流侧电压恒定以及电容电压均衡的有功电流分量idc^*。

步骤3：通过有源电力滤波器中dsp将三相负载电流il，a、il，b、il，c变换至基波同步旋转坐标系下的负载电流d轴分量il，d和负载电流q轴分量il，q，根据负载电流d轴分量il，d、负载电流q轴分量il，q以及有功电流分量idc^*，得到d轴误差状态参数hd和q轴误差状态参数hq；

步骤3.1：将三相负载电流il，a、il，b、il，c变换至基波同步旋转坐标系下的负载电流d轴分量il，d和负载电流q轴分量il，q；

步骤3.2：将负载电流d轴分量il，d和负载电流q轴分量il，q经低通滤波器运算得到滤波后的负载电流d轴分量id^*，令负载电流d轴的参考电流为滤波后的负载电流d轴分量id^*与有功电流分量idc^*之和，令负载电流q轴的参考电流为0；

步骤3.3：根据负载电流d轴的参考电流与电网输出电流的d轴分量is，d的差值获得d轴电流跟踪误差δid，根据负载电流q轴的参考电流与电网输出电流的q轴分量is，q的差值获得q轴电流跟踪误差δiq；

步骤3.4：设定滞环上限值和滞环下限值，将d轴电流跟踪误差δid和q轴电流跟踪误差δiq输入滞环比较器后得出d轴误差状态参数hd和q轴误差状态参数hq的取值；

若d轴电流跟踪误差δid、q轴电流跟踪误差δiq大于滞环上限值，则d轴误差状态参数hd、q轴误差状态参数hq为1；

若d轴电流跟踪误差δid、q轴电流跟踪误差δiq小于滞环下限值，则d轴误差状态参数hd、q轴误差状态参数hq为-1；

若d轴电流跟踪误差δid、q轴电流跟踪误差δiq位于滞环上限值和滞环下限值之间，则d轴误差状态参数hd、q轴误差状态参数hq为0。

步骤4：通过有源电力滤波器中dsp采用滞环svpwm容错控制方法确定有源电力滤波器输出的电压矢量；

步骤4.1：以三相四开关逆变器的4个有效电压矢量及其角分线为界，将空间坐标平面分为8个扇区；

步骤4.2：根据相位角θ确定电源电压矢量的扇区位置；

步骤4.3：根据d轴误差状态参数hd和q轴误差状态参数hq的取值，以及电源电压矢量的扇区位置，确定有源电力滤波器输出的电压矢量。

步骤5：根据有源电力滤波器输出的电压矢量确定故障的有源电力滤波器对应的三相四开关逆变器的开关状态，送至驱动电路，控制逆变器功率开关器件的通断。

所述根据d轴误差状态参数hd和q轴误差状态参数hq的取值，以及电源电压矢量的扇区位置，确定有源电力滤波器输出的电压矢量的具体过程如下：

(1)当有源电力滤波器的逆变器中c相开路或者断路时：

当电源电压矢量位于扇区1时：

①当d轴误差状态参数hd和q轴误差状态参数hq均为1时，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为10x；

当d轴误差状态参数hd和q轴误差状态参数hq均为-1时，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为01x；

②当d轴误差状态参数hd为1，q轴误差状态参数hq为0时，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为11x；

当d轴误差状态参数hd为0，q轴误差状态参数hq为1时，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为10x；

③当d轴误差状态参数hd为1，q轴误差状态参数hq为-1时，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为11x；

当d轴误差状态参数hd为-1，q轴误差状态参数hq为1时，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为00x；

④当d轴误差状态参数hd为0，q轴误差状态参数hq为-1时，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为01x；

当d轴误差状态参数hd为-1，q轴误差状态参数hq为0时，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为00x；

⑤当d轴误差状态参数hd和q轴误差状态参数hq均为0时，保持有源电力滤波器输出的电压矢量不变。

采用同样方式得到扇区2-扇区8内的有源电力滤波器输出的电压矢量；

(2)采用同样的方法获得有源电力滤波器的逆变器中a相或者b相故障时，有源电力滤波器输出的电压矢量。

本发明的有益效果：

本发明提出一种同步旋转坐标系下的apf滞环svpwm容错控制方法，本发明方法解决了传统滞环svpwm策略无法在apf容错控制中直接应用的问题；具有算法简单，响应速度快，且不需要计算参考电压矢量，降低了系统参数误差对补偿精度的影响，提高谐波补偿质量，具有较强的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中同步旋转坐标系下的apf滞环svpwm容错控制方法的流程图；

图2为本发明具体实施方式中三相六开关apf中c相发生开路故障时的容错拓扑结构；

图3为本发明具体实施方式中电压矢量空间分布示意图；

图4为本发明具体实施方式中采用滞环svpwm容错控制方法确定有源电力滤波器输出的电压矢量的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

一种同步旋转坐标系下的apf滞环svpwm容错控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：在有源电力滤波器运行过程中，当有源电力滤波器的逆变器中某个电力电子器件开路或者断路时，将其对应相输出端连接至逆变器直流侧中点。

如图2所示，三相电网通过不可控整流电路向直流侧阻感负载供电，并利用有源电力滤波器补偿整流器交流侧电流中的谐波分量；本实施方式中，有源电力滤波器(apf)以双dsptms320f2812为核心，并利用双口ramidt70v24s15实现dsp之间的通信。系统的主要参数如表1所示：

表1apf系统主要参数

本实施方式中，故障相为c相，因此将c相对应输出端连接至逆变器直流侧中点，此时原主电路中的三相六开关逆变器转换为三相四开关逆变器。

主电路中包括由4组功率开关器件组成的桥臂a和b，以及直流侧电容c1和c2组成的桥臂c，分别引出apf的三相输出端线，输出三相补偿电流ic，a、ic，b、ic，c。

步骤2：通过有源电力滤波器中dsp确定在有源电力滤波器故障时的有功电流分量idc^*。

步骤2.1：根据电网输出a相电压us，a经过锁相环和正弦发生器运算，得到相位角θ。

本实施方式中，电网输出a相电压us，a经锁相环和正弦发生器后，可以获取相位角θ，为判断电网电压矢量空间位置及坐标变换奠定基础。

步骤2.2：根据相位角θ通过pi控制算法得到维持逆变器直流侧电压恒定以及电容电压均衡的有功电流分量idc^*。

本实施方式中，由图2可知，由三相电网向非线性负载供电，其中，电网三相输出电压us，abc(us，a、us，b、us，c)，电网三相输出电流is，abc(is，a、is，b、is，c)，非线性负载包括整流器、阻抗rl、感抗负载ll；由apf向电网注入三相补偿电流ic，abc(ic，a、ic，b、ic，c)，补偿三相负载电流il，abc(il，a、il，b、il，c)中的谐波分量，使电网三相输出电流is，abc中只剩下基波分量；并通过pi控制算法使apf直流侧总电压udc稳定，并维持逆变器直流侧电容电压之间均衡，并输出有功电流分量idc^*。

本发明参考了文章“基于pi神经元网络的三相四开关电力有源滤波器研究(中国电机工程学报，2014，24：4068-4075)”中的逆变器直流侧电压均衡和稳定控制策略，这里不再赘述。

步骤3：通过有源电力滤波器中dsp将三相负载电流il，abc变换至基波同步旋转坐标系下的负载电流d轴分量il，d和负载电流q轴分量il，q，根据负载电流d轴分量il，d、负载电流q轴分量il，q以及有功电流分量idc^*，得到d轴误差状态参数hd和q轴误差状态参数hq。

步骤3.1：将三相负载电流il，a、il，b、il，c变换至基波同步旋转坐标系下的负载电流d轴分量il，d和负载电流q轴分量il，q。

步骤3.2：将负载电流d轴分量il，d和负载电流q轴分量il，q经低通滤波器运算得到滤波后的负载电流d轴分量id^*，令负载电流d轴的参考电流为滤波后的负载电流d轴分量id^*与有功电流分量idc^*之和，令负载电流q轴的参考电流为0。

步骤3.3：根据负载电流d轴的参考电流与电网输出电流的d轴分量is，d的差值获得d轴电流跟踪误差δid，根据负载电流q轴的参考电流与电网输出电流的q轴分量is，q的差值获得q轴电流跟踪误差δiq。

步骤3.4：设定滞环上限值和滞环下限值，将d轴电流跟踪误差δid和q轴电流跟踪误差δiq输入滞环比较器后得出d轴误差状态参数hd和q轴误差状态参数hq的取值。

若d轴电流跟踪误差δid、q轴电流跟踪误差δiq大于滞环上限值，则d轴误差状态参数hd、q轴误差状态参数hq为1；

若d轴电流跟踪误差δid、q轴电流跟踪误差δiq小于滞环下限值，则d轴误差状态参数hd、q轴误差状态参数hq为-1；

若d轴电流跟踪误差δid、q轴电流跟踪误差δiq位于滞环上限值和滞环下限值之间，则d轴误差状态参数hd、q轴误差状态参数hq为0。

步骤4：通过有源电力滤波器中dsp采用滞环svpwm容错控制方法确定有源电力滤波器输出的电压矢量。

步骤4.1：以三相四开关逆变器的4个有效电压矢量及其角分线为界，将空间坐标平面分为8个扇区。

本实施方式中，以三相四开关逆变器的4个有效电压矢量及其角分线为界，将空间坐标平面分为8个扇区，分别命名为扇区1-扇区8，如图3所示。

三相四开关逆变器只有4个幅值不完全相等的有效电压矢量uk(k＝1，2，3，4)，如表2所示，其中，开关状态1表示该相上桥臂导通，下桥臂关断；0表示下桥臂导通，上桥臂关断；c相代表故障相，其开关状态用x表示。

表2故障状态下apf的有效电压矢量

本实施方式中，由图3可知，图中包括2个长矢量(01x)、(10x)，2个短矢量(00x)和(11x)。以4个有效电压矢量及其角分线为界将坐标平面分为8个扇区，分别命名为扇区1-扇区8。

步骤4.2：根据相位角θ确定电源电压矢量的扇区位置。

本实施方式中，根据相位角θ确定电源电压矢量的空间位置，即确定了d、q轴的空间位置。

步骤4.3：根据d轴误差状态参数hd和q轴误差状态参数hq的取值，以及电源电压矢量的扇区位置，确定有源电力滤波器输出的电压矢量。

如图4所示，本发明是以电网电流为控制对象，通过apf的输出电压控制电网三相输出电流is，abc跟踪三相负载电流il，abc中的基波分量。当is，abc恰好等于il，abc中的基本分量时，补偿电流ic，abc则恰好补偿il，abc中的谐波分量。根据图2中的电流参考方向可知公式(1)所示：

il，abc＝is，abc+ic，abc(1)

某一时刻，如果视负载电流为定值，那么提高补偿电流与降低电网电流是等效的，即通过控制补偿电流ic，abc可以间接的控制电网电流。

在两相静止α-β坐标系下，apf输出电压矢量关系式如式(2)所示：

其中，us为apf输出电压，uc为电网电压矢量，ic为电流矢量，r是滤波电感l的等效电阻。在电网电压确定的情况下，忽略电阻r上的压降，通过控制apf输出的电网电压矢量uc即可控制电流矢量ic的变化。

忽略电阻r，将公式(2)变换至在同步坐标系下，并用apf有效电压矢量uk的d轴分量、q轴分量代替输出电压矢量，可得公式如式(3)所示：

其中，us，d为电网电压矢量d轴分量、us，q为电网电压矢量q轴分量、uk，d为有效电压矢量uk的d轴分量、uk，q为有效电压矢量uk的q轴分量，ic，d为补偿电流的d轴分量，ic，q为补偿电流的q轴分量，ω为同步转速，l为滤波电感的电感值。

令电源电压矢量与d轴同轴，此时us，d为0。忽略ω相的影响，当直流侧电压足够大时，根据误差状态参数和uk，d、uk，q的作用效果，即可控制补偿电流变化，进而间接控制电网电流变化。

所述根据d轴误差状态参数hd和q轴误差状态参数hq的取值，以及电源电压矢量的扇区位置，确定有源电力滤波器输出的电压矢量的具体过程如下：

(1)当电源电压矢量位于扇区1时：

①当d轴误差状态参数hd和q轴误差状态参数hq均为1时，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为10x；

本实施方式中，当d轴误差状态参数hd和q轴误差状态参数hq均为1时，说明电网输出电流的d轴分量is，d、电网输出电流的q轴分量is，q均小于参考值，即需要提高电网输出电流的d轴分量is，d、电网输出电流的q轴分量is，q来降低误差，由于此时输出的电压矢量为10x在d、q轴上的分量均为负，可以降低补偿电流d轴分量ic，d和补偿电流q轴分量ic，q；即选择(10x)即可间接的提高电网输出电流的d轴分量is，d、电网输出电流的q轴分量is，q，消除电网电流跟踪误差。

当d轴误差状态参数hd和q轴误差状态参数hq均为-1时，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为01x；

本实施方式中，当d轴误差状态参数hd和q轴误差状态参数hq均为-1时，需要降低电网输出电流的d轴分量is，d、电网输出电流的q轴分量is，q，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为01x。

②当d轴误差状态参数hd为1，q轴误差状态参数hq为0时，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为11x；

本实施方式中，当d轴误差状态参数hd为1，q轴误差状态参数hq为0时，说明此时电网输出电流的d轴分量is，d的值偏低且超出了误差范围，电网输出电流的q轴分量is，q的误差在允许的范围内；选择电压矢量应该先考虑其对d轴的分量的作用效果，并尽量选择q轴分量较小的电压矢量，避免使电网输出电流的q轴分量is，q的跟踪误差超出滞环范围；综合考虑之后，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为11x。

当d轴误差状态参数hd为0，q轴误差状态参数hq为1时，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为10x；

本实施方式中，当d轴误差状态参数hd为0，q轴误差状态参数hq为1时，先考虑消除q轴跟踪误差，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为10x。

③当d轴误差状态参数hd为1，q轴误差状态参数hq为-1时，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为11x；

当d轴误差状态参数hd为-1，q轴误差状态参数hq为1时，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为00x；

④当d轴误差状态参数hd为0，q轴误差状态参数hq为-1时，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为01x；

当d轴误差状态参数hd为-1，q轴误差状态参数hq为0时，选择有源电力滤波器输出的电压矢量为00x；

⑤当d轴误差状态参数hd和q轴误差状态参数hq均为0时，保持有源电力滤波器输出的电压矢量不变。

同理可得扇区1-扇区8内的有源电力滤波器输出的电压矢量，如表3所示。

表3扇区1-扇区8内的有源电力滤波器输出的电压矢量

步骤5：根据有源电力滤波器输出的电压矢量确定故障的有源电力滤波器对应的三相四开关逆变器的开关状态，送至驱动电路，控制逆变器功率开关器件的通断。

本实施方式中，根据有源电力滤波器输出的电压矢量确定其对应的三相四开关逆变器的开关状态sa和sb，送至驱动电路，控制逆变器桥臂a和b功率开关器件的通断。