一种apf电压空间矢量滞环控制方法
技术领域：
：1.本发明属于有源电力滤波器
技术领域：
：，具体涉及一种apf电压空间矢量滞环控制方法。
背景技术：
：：2.滞环跟踪控制因其响应速度快、易于软硬件实现、具有较强的稳定性和实时性等优点而被广泛应用在apf的电流控制策略中。在三相三线制apf系统中，传统的滞环电流跟踪控制针对各相桥臂进行独立控制，虽然响应速度快，但是没有考虑三相桥臂之间的相互影响，使控制过程中可能产生多余的开关动作，导致器件的开关频率过高，开关损耗过大。电压空间矢量控制方法是利用逆变器的开关动作和电压空间矢量存在的对应关系来控制逆变器输出电流的幅值和相位。这种控制方法具有较小的开关次数，可以有效降低开关频率。因此，将三相系统作为一个整体加以考虑，可以消除相间耦合，且直流侧电压利用率高。但是该方法存在动态响应慢、精度低的缺点。3.基于此，提出了一种电压空间矢量滞环控制的方法。将apf输出的相电流误差作为控制对象，通过滞环比较器的状态比较，判断出误差电流所在的区域，同时对参考电压矢量的区域进行判定，最后由控制规则选择最佳的输出电压矢量，实现对指令电流的跟踪控制。技术实现要素：4.本发明的目的在于提供一种apf电压空间矢量滞环控制方法，以解决上述
背景技术：
：中提出的问题。5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种apf电压空间矢量滞环控制方法，包括有以下方法步骤：6.s1、进行apf建立以及电网并入，利用补偿电流抵消由负载产生的谐波电流，并使电网电流只含有负载电流中的正弦基波分量，消除电网中谐波电流的干扰；7.s2、进行滞环电流跟踪控制，在滞环电流跟踪控制中，利用环宽的取值控制apf电流跟踪控制性能的好坏；8.s3、进行电压空间矢量滞环控制，其中包括有控制规则与矢量选择、δi和u*区域判断和双滞环控制；9.s4、仿真验证，利用matlab/simulink对三相有源电力滤波器进行了仿真分析。10.优选的，所述s1中的电网电流为isk(k＝a、b、c)，负载电流ilk(k＝a、b、c)，补偿电流为ick(k＝a、b、c)，指令电流运算电路通过计算得到指令信号作为电流跟踪控制器的输入，从而产生实际补偿电流ic，最后由驱动电路产生相应的脉宽调制信号去控制逆变器的导通与关断。11.优选的，所述负载电流进行分解:ilf为基波电流，ilh为谐波电流，12.il＝ilf+ilh(1)，13.假设补偿电流ic完全跟踪指令电流并且ic与ilh满足大小相等，相位相反，即有：14.ic＝－ilh(2)，15.根据基尔霍夫电流定律，有：16.is＝il+ic(3)，17.联立公式(1)、公式(2)和公式(3)，有:18.is＝ilf(4)。19.优选的，所述s2中的滞环电流跟踪控制的目的是让误差电流δic始终处于滞环宽度以内，再经过滞环比较器后产生相应的pwm信号，从而控制逆变器的导通与关断；20.具体动作为:当且时，开关管导通，使得ic增大，当ic增大到ic＞ic，并且时，开关管关断，使得ic减小，直到下一次且重新开始新一个控制周期。21.优选的，所述s3中的电压空间矢量滞环控制中ua、ub、uc和ica、icb、icc分别为逆变器的输出电压和电流，ud为直流侧电压，理想开关sa、sa、sc用来代替逆变器的6个绝缘栅双极晶体管，并且sk(k＝a、b、c)只有0和1这两种开关状态，22.其开关函数为:23.sk＝1，上桥臂导通、下桥臂关断24.sk＝0，下桥臂导通、上桥臂关断，k＝a、b、c25.由基尔霍夫电压定律可知：[0026][0027]其中，[0028]三相电网相电压和apf三相输出相电流满足如下关系:[0029][0030]联立公式(5)、公式(6)和公式(7)，有：[0031][0032]由式(8)可知，apf各相桥臂的输出电压受其余两相桥臂开关状态的影响，即各相桥臂的输出电压之间存在相间干扰现象，为消除干扰，引入电压空间矢量，即将三相静止坐标系的电压分量通过坐标变换为两相坐标系α‑β下的分量，坐标变换关系为：[0033][0034]8个开关模式对应的apf输出端电压矢量为，[0035][0036]忽略电阻影响，将公式(5)用电压空间矢量表示：[0037][0038]设逆变器的参考电流矢量为其对应的参考电压矢量为u*，则有:[0039][0040]联立公式(11)和公式(12)，有：[0041][0042]定义参考电流矢量与逆变器实际输出电流之间的差值即有:[0043][0044]由公式(14)可知，误差电流矢量δi的变化率dδi/dt取决于逆变器的输出电压矢量uk，若使得dδi/dt与矢量δi保持相位相反，即可将δi限定在预期的范围之内，电压空间矢量滞环控制实现的原理就是在u*和δi确定的情况下，得到相应开关矢量sa、sa、sc的值。[0045]优选的，所述s3中的控制规则与矢量选择：[0046]当δi＞iw时，选择的电压空间矢量uk应使得dδi/dt与误差矢量δi相位相反，且模值为最小，这样可以确保ic跟踪到指令电流还可以降低电流变化率，抑制谐波干扰；[0047]当δi≤iw时，保持原有的电压空间矢量uk不变，这样可以限制逆变器的动作频率，提高系统稳定性。[0048]优选的，所述s3中的δi和u*区域判断，通过ic与的差值δica、δicb、δicc在a、b、c三相坐标系下的正负极性来判断来δi所在的区域，进一步可以通过滞环比较器的输出ba、bb、bc的值来确定δi具体位于哪块区域，其中ba、bb、bc的判断表达式为：[0049][0050]优选的，所述s3中的双滞环控制假定内滞环宽度为iw1，外滞环宽度为iw1+iw2，具体的控制规则如下：[0051]当δi＜iw1时，保持原来的uk不变，可以降低逆变器的开关频率；[0052]当iw1＜δi＜iw1+iw2时，所选择的uk应使dδi/dt始终与δi保持相位相反，且模值为最小，可以降低电流变化率，减小高次谐波干扰；[0053]当δi＞iw1+iw2时，此时δi进入外环以外的区域，所选择的uk应使dδi/dt始终与δi保持相位相反，且模值为最大，以保证电流跟踪的速度。[0054]优选的，所述仿真验证的仿真参数设置为：电源电压为100v/50hz；负载为三相不控整流电路带阻感负载，阻感负载的电阻值20ω，电感大小为10mh；直流侧电压给定值为1000v，交流侧滤波电感值为75mh。[0055]优选的，所述仿真验证为验证改进电流控制方法的动态特性，在t＝0.06s时，将负载由r＝20ω、l＝10mh切换至r＝10ω、l＝5mh。[0056]与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0057]本发明提出了一种适用于三相三线制的apf电压空间矢量滞环方法。该方法继承了传统滞环控制方法实时性好的优点，并且大幅减小了开关次数，降低了开关损耗。与传统滞环控制方法相比，该方法在电流跟踪控制精度和谐波补偿方面上具有更明显的优势；[0058]该方法以误差电流为控制对象，在确定误差电流矢量和参考电压矢量区域的基础上，通过一定的控制规则选择最佳的电压输出矢量，并且在误差电流较大时优先采取跟踪速度最快的外环控制策略；[0059]该方法加快了电流跟踪速度，有效减少了逆变器的开关次数，降低了开关损耗，最后通过matlab/simulink进行了仿真验证，与传统滞环跟踪控制方法相比，该方法具有较大优势。附图说明[0060]图1为本发明的并联型apf工作原理图；[0061]图2为本发明的滞环控制电流跟踪示意图；[0062]图3为本发明的并联型apf等值电路；[0063]图4为本发明的电压空间矢量滞环控制原理图；[0064]图5为本发明的u*与δi区域划分示意图；[0065]图6为本发明的电压空间矢量uk的选择示意图；[0066]图7为本发明的改进的参考电压空间矢量u*的判断示意图；[0067]图8为本发明的电压空间矢量双滞环原理图；[0068]图9为本发明的双滞环的电压空间矢量uk选择示意图；[0069]图10为本发明的a相负载电流及电流频谱分析图；[0070]图11为本发明的电源侧电流波形及电流频谱析图；[0071]图12为本发明的相pwm波形图；[0072]图13为本发明的电源侧电流波形；[0073]图14为本发明的传统滞环电流控制方法的a相实际补偿电流及误差电流波形；[0074]图15为本发明的电压空间矢量滞环控制方法的a相实际补偿电流及误差电流波形。具体实施方式[0075]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0076]请参阅图1‑图15，本发明提供一种技术方案：一种apf电压空间矢量滞环控制方法，包括有以下方法步骤：[0077]s1、进行apf建立以及电网并入，利用补偿电流抵消由负载产生的谐波电流，并使电网电流只含有负载电流中的正弦基波分量，消除电网中谐波电流的干扰；[0078]s2、进行滞环电流跟踪控制，在滞环电流跟踪控制中，利用环宽的取值控制apf电流跟踪控制性能的好坏，当环宽较小时，电流跟踪控制精度高，响应速度快，但是逆变器开关频率较高，当环宽较大时，逆变器开关频率低，但是电流跟踪控制精度较差，响应速度慢，并且输出电流中所含的高次谐波较大；[0079]s3、进行电压空间矢量滞环控制，其中包括有控制规则与矢量选择、δi和u*区域判断和双滞环控制；[0080]s4、仿真验证，利用matlab/simulink对三相有源电力滤波器进行了仿真分析。[0081]参考图1，本实施例中，优选的，所述s1中的电网电流为isk(k＝a、b、c)，负载电流ilk(k＝a、b、c)，补偿电流为ick(k＝a、b、c)，指令电流运算电路通过计算得到指令信号作为电流跟踪控制器的输入，从而产生实际补偿电流ic，最后由驱动电路产生相应的脉宽调制信号去控制逆变器的导通与关断，所述负载电流进行分解:ilf为基波电流，ilh为谐波电流，[0082]il＝ilf+ilh(1)，[0083]假设补偿电流ic完全跟踪指令电流并且ic与ilh满足大小相等，相位相反，即有：[0084]ic＝－ilh(2)，[0085]根据基尔霍夫电流定律，有：[0086]is＝il+ic(3)，[0087]联立公式(1)、公式(2)和公式(3)，有:[0088]is＝ilf(4)；可以看出，apf并入电网之后，利用补偿电流抵消由负载产生的谐波电流，并使电网电流只含有负载电流中的正弦基波分量，消除电网中谐波电流的干扰。[0089]参考图2，本实施例中，优选的，所述s2中的滞环电流跟踪控制的目的是让误差电流δic始终处于滞环宽度以内，再经过滞环比较器后产生相应的pwm信号，从而控制逆变器的导通与关断；[0090]具体动作为:当且时，开关管导通，使得ic增大，当ic增大到ic＞ic，并且时，开关管关断，使得ic减小，直到下一次且重新开始新一个控制周期；[0091]滞环电流跟踪控制因其原理简单、易于软硬件实现、具有较强的稳定性和实时性等优点被广泛应用在apf的电流控制策略中。在滞环电流跟踪控制中，利用环宽的取值控制apf电流跟踪控制性能的好坏。当环宽较小时，电流跟踪控制精度高，响应速度快，但是逆变器开关频率较高；当环宽较大时，逆变器开关频率低，但是电流跟踪控制精度较差，响应速度慢，并且输出电流中所含的高次谐波较大。[0092]参考图3，本实施例中，优选的，所述s3中的电压空间矢量滞环控制中ua、ub、uc和ica、icb、icc分别为逆变器的输出电压和电流，ud为直流侧电压，理想开关sa、sa、sc用来代替逆变器的6个绝缘栅双极晶体管，并且sk(k＝a、b、c)只有0和1这两种开关状态，[0093]其开关函数为:[0094]sk＝1，上桥臂导通、下桥臂关断[0095]sk＝0，下桥臂导通、上桥臂关断，k＝a、b、c[0096]由基尔霍夫电压定律可知：[0097][0098]其中，[0099]三相电网相电压和apf三相输出相电流满足如下关系:[0100][0101]联立公式(5)、公式(6)和公式(7)，有：[0102][0103]由式(8)可知，apf各相桥臂的输出电压受其余两相桥臂开关状态的影响，即各相桥臂的输出电压之间存在相间干扰现象，为消除干扰，引入电压空间矢量，即将三相静止坐标系的电压分量通过坐标变换为两相坐标系α‑β下的分量，坐标变换关系为：[0104][0105]由表1可以得出，8个开关模式对应的apf输出端电压矢量为，[0106][0107]忽略电阻影响，将公式(5)用电压空间矢量表示：[0108][0109]设逆变器的参考电流矢量为其对应的参考电压矢量为u*，则有:[0110][0111]联立公式(11)和公式(12)，有：[0112][0113]定义参考电流矢量与逆变器实际输出电流之间的差值即有:[0114][0115]由公式(14)可知，误差电流矢量δi的变化率dδi/dt取决于逆变器的输出电压矢量uk，若使得dδi/dt与矢量δi保持相位相反，即可将δi限定在预期的范围之内，电压空间矢量滞环控制实现的原理就是在u*和δi确定的情况下，得到相应开关矢量sa、sa、sc的值；[0116]不同开关模式下apf的输出相电压值如表1所示。[0117]表1不同开关模式下apf的输出相电压值[0118]tab.1outputphasevoltagevaluesofapfindifferentswitchingmodes[0119][0120]电压空间矢量滞环控制原理如图4所示。具体实现过程为:将参考指令电流与逆变器实际输出电流ic的差值分别送入滞环比较器，得到其状态值ba、bb、bc，由此确定δi所在的区域；同时，由参考电压矢量u*的状态值xa、xb、xc确定其所在的区域；最后由控制规则选择最佳的电压空间矢量uk。[0121]为了确定参考电压矢量u*所处的区域，将u*所在的空间等分为6个区域，分别记作为i～vi。同理，为得出δia、δib、δic所处的区域，将δi所在的矢量空间也等分为6个区域，分别记作1～6。图5为u*与δi具体划分的示意图。[0122]本实施例中，优选的，所述s3中的控制规则与矢量选择：[0123]当δi＞iw时，选择的电压空间矢量uk应使得dδi/dt与误差矢量δi相位相反，且模值为最小，这样可以确保ic跟踪到指令电流还可以降低电流变化率，抑制谐波干扰；[0124]当δi≤iw时，保持原有的电压空间矢量uk不变，这样可以限制逆变器的动作频率，提高系统稳定性；[0125]电压空间矢量uk的选择示意图如图6所示。假设误差电流δi位于第6区域，参考电压矢量u*位于第vi区域，[0126]uk末端指向u*末端的矢量即为uk所对应的电流误差变化率dδi/dt。显然，当u*位于vi区时，满足条件的空间矢量为u0、u1、u6、u7。由上述规则可知，只有矢量uk使得dδi/dt与矢量δi方向相反，且模值最小。同理可以分析其他各种情况。电压空间矢量uk的选择逻辑如表2所示[0127]表2电压空间矢量uk的选择逻[0128]tab.2selectionlogicofvoltagespacevectoruk[0129][0130]本实施例中，优选的，所述s3中的δi和u*区域判断，通过ic与的差值δica、δicb、δicc在a、b、c三相坐标系下的正负极性来判断来δi所在的区域，进一步可以通过滞环比较器的输出ba、bb、bc的值来确定δi具体位于哪块区域，其中ba、bb、bc的判断表达式为：[0131][0132]误差电流矢量δi的选择逻辑如表3所示[0133]表3误差电流矢量δi的选择逻[0134]tab.3selectionlogicoferrorcurrentvectorδi[0135][0136]由公式(12)可知，需要求取电网电压矢量e和矢量即参考电压矢量u*的计算需要实时检测三相电网电压，并且需要对参考指令电流进行求导运算。这必然会使得系统产生较大延时，同时也增加了系统设计的难度。若考虑电网中谐波电流的影响，求导运算还会对结果产生很大的偏差。基于此，直接利用相间误差电流矢量δiab、δibc、δica的正负极性来判断u*所属的区域，不仅能准确判断出u*所在的区域，而且简单迅速，节省了计算成本。将传统三相abc坐标系顺时针旋转π/6得到三相ab‑bc‑ca坐标系，改进的参考电压空间矢量u*的判断示意图如图7所示，其中：[0137][0138]当δiab＞0时，由于因此增大iab的值才能使δiab趋近于0，这可以通过增大来实现。与此类似，当δibc＞0时，可以通过增大来实现。当δica＜0时，可以通过减小来减小逆变器实际输出电流ica。综上所述，当δiab＞0、δibc＞0、δica＜0时，所对应的参考指令电流状态为＜0时，所对应的参考指令电流状态为此时，u*应属于区域i，这与传统的判断方法完全一致。同理，可以得到改进的参考电压矢量u*的区域判断表，如表4所示[0139]表4改进的参考电压空间矢量u*的区域判断表[0140]tab.4regionjudgmenttableforimprovedreferencevoltagespacevectoru*[0141][0142]优选的，所述s3中的双滞环控制假定内滞环宽度为iw1，外滞环宽度为iw1+iw2，具体的控制规则如下：[0143]当δi＜iw1时，保持原来的uk不变，可以降低逆变器的开关频率；[0144]当iw1＜δi＜iw1+iw2时，所选择的uk应使dδi/dt始终与δi保持相位相反，且模值为最小，可以降低电流变化率，减小高次谐波干扰；[0145]当δi＞iw1+iw2时，此时δi进入外环以外的区域，所选择的uk应使dδi/dt始终与δi保持相位相反，且模值为最大，以保证电流跟踪的速度；[0146]传统方法对δi所处区域判断时，由于只设置了单个滞环宽度iw，这会带来问题：当δi的值较大时，所选择的uk会使得误差电流的变化率dδi/dt较小，会降低电流跟踪的速度。基于此，设计了双滞环，在δi较大的时候，采用跟踪速度最快的控制策略，保证电流跟踪的速度：在δi较小时，让δi与dδi/dt保持相位相反，并尽可能降低开关频率。电压空间矢量双滞环原理如图8所示；[0147]双滞环的电压空间矢量uk选择示意图如图9所示。假设δi在第6区域，u*位于第i区域，由以上分析可知，只有矢量u6满足条件。进一步分析可知，当δi进入外环以外的区域时，空间矢量uk的选择只与δi所处的区域有关。外滞环的电压空间矢量uk的选择如表5所示。[0148]表5外滞环的输出电压矢量uk的选择表[0149]tab.5selectiontableofoutputvoltagevectorukofexternalhysteresisloop[0150][0151]本实施例中，优选的，所述仿真验证的仿真参数设置为：电源电压为100v/50hz；负载为三相不控整流电路带阻感负载，阻感负载的电阻值20ω，电感大小为10mh；直流侧电压给定值为1000v，交流侧滤波电感值为75mh；[0152]a相的负载电流波形及电流频谱分析如图10所示[0153]为了验证本文所提控制方法的有效性，利用matlab/simulink对三相有源电力滤波器进行了仿真分析。仿真参数设置为：电源电压为100v/50hz；负载为三相不控整流电路带阻感负载，阻感负载的电阻值20ω，电感大小为10mh；直流侧电压给定值为1000v，交流侧滤波电感值为7.5mh。从图10可以看出，由于电网中存在非线性负载，使得负载电流发生了严重的畸变。在有源滤波器未投入使用之前，总谐波畸变率高达25.26％；[0154]采用传统滞环电流控制方法和电压空间矢量滞环控制方法的电源侧电流波形及频谱分析如图11所示；[0155]两种方法对系统中的谐波电流都进行了很好的补偿，总谐波失真分别降低至5.92％和2.44％。进一步比较可以看出，电压空间矢量滞环控制方法能够更好地抑制电网中大量存在的5次、7次以及11次、13谐波，并且对高次谐波的滤除效果相对较好。采用传统滞环电流控制方法和电压空间矢量滞环控制方法得到的a相pwm波形如图12所示。采用电压空间矢量滞环控制方法时器件的开关次数更少，开关损耗也更小。[0156]本实施例中，优选的，所述仿真验证为验证改进电流控制方法的动态特性，在t＝0.06s时，将负载由r＝20ω、l＝10mh切换至r＝10ω、l＝5mh；[0157]为验证改进电流控制方法的动态特性，在t＝0.06s时，将负载由r＝20ω、l＝10mh切换至r＝10ω、l＝5mh，得到的电源侧电流波形如图13所示。[0158]在负载发生突变时，电压空间矢量滞环控制方法能够以较快的速度跟踪到指令电流的变化，没有出现明显的超调振荡过程；[0159]采用传统滞环电流控制方法和改进后的电流控制方法的a相实际补偿电流及误差电流波形如图14和图15所示。改进后的控制方法的电流跟踪误差更低，效果更好。[0160]本发明的工作原理及使用流程：[0161]第一步、apf建立以及并入电网之后，利用补偿电流抵消由负载产生的谐波电流，并使电网电流只含有负载电流中的正弦基波分量，消除电网中谐波电流的干扰；[0162]第二步、滞环电流跟踪控制，在滞环电流跟踪控制中，利用环宽的取值控制apf电流跟踪控制性能的好坏，当环宽较小时，电流跟踪控制精度高，响应速度快，但是逆变器开关频率较高，当环宽较大时，逆变器开关频率低，但是电流跟踪控制精度较差，响应速度慢，并且输出电流中所含的高次谐波较大；[0163]第三步、电压空间矢量滞环控制，其中包括有控制规则与矢量选择、δi和u*区域判断和双滞环控制；[0164]第四步、仿真验证，利用matlab/simulink对三相有源电力滤波器进行了仿真分析。[0165]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。当前第1页12当前第1页12