電網(wǎng)平衡條件下有源電力濾波器的預測直接功率控制

電網(wǎng)平衡條件下有源電力濾波器的預測直接功率控制

0電壓型dm變換器直接功率控制有效能量矩陣（apf）是一種新型的動態(tài)抑制波形和無源性能源補償?shù)男履茉措娮友b置，可以動態(tài)補償大小和頻率變化的波形和無源性。它的應用可以克服傳統(tǒng)波形抑制和無源性補償方法的缺點，如lc濾波。它被認為是諧波治理技術(shù)中最有前途的濾波手段。APF的主電路是PWM變流器,其有很多控制方法,它的控制性能直接影響APF的整體性能。現(xiàn)行控制策略中以直接電流、間接電流控制為主,這兩種閉環(huán)控制策略需要復雜的算法和調(diào)制模塊。而三相電壓型PWM變換器直接功率控制(directpowercontrol,DPC)因具有控制方法簡單、抗干擾能力強、良好的動態(tài)性能、可以實現(xiàn)有功無功的解耦控制等諸多優(yōu)點而被近年來廣泛研究。DPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是以直流側(cè)電壓為外環(huán)、瞬時功率控制為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)。從功率守恒的角度看,直接功率控制PWM整流器是在交流側(cè)電壓一定的情況下,通過控制流入整流器瞬時有功功率和無功功率,來達到控制瞬時輸入電流的目的,從而獲得預設(shè)的功率因數(shù)和功率流動方向。目前的電壓型PWM變換器直接功率控制策略主要有電壓定向直接功率控制(VO-DPC)、基于虛擬磁鏈定向的直接功率控制(VFO-DPC)和基于輸出調(diào)節(jié)子空間的直接功率控制(ORS-DPC)三種。傳統(tǒng)DPC策略是以瞬時有功功率和瞬時無功功率為被控量的控制系統(tǒng)。將計算得出的瞬時有功和無功功率與對應的參考值輸入滯環(huán)比較器,根據(jù)滯環(huán)比較器輸出的比較結(jié)果及電網(wǎng)電壓在αβ平面上所處的扇區(qū)位置,在預存于內(nèi)存的開關(guān)矢量表中選擇合適的開關(guān)矢量去控制開關(guān)器件的通斷。由于采用了滯環(huán)比較器控制,控制的效果與滯環(huán)寬度密切相關(guān),且當寬度固定時,開關(guān)頻率不固定,波動較大。本文針對上述傳統(tǒng)DPC的缺陷,以APF交流側(cè)輸出的電壓為被控量,為保證瞬時功率跟蹤功率參考值,利用電流、電壓傳感器采集到的信號,通過一定的預測算法計算出有源電力濾波器交流側(cè)參考輸出電壓。然后利用空間電壓矢量脈寬調(diào)制(spacevectorpulsewidthmodulation,SVP-WM)方法控制APF中的PWM變流器輸出該電壓。從而達到開關(guān)頻率固定的目的。1apf中驗證誤差的消除APF預測直接功率控制原理如圖1所示。首先將電壓、電流檢測到的電網(wǎng)電壓、補償電流等數(shù)據(jù)輸入瞬時功率計算模塊,計算出實際補償?shù)挠泄蜔o功功率p、q;然后將實際瞬時有功和無功功率(p,q)、瞬時有功和無功功率參考值(p*,q*)和電網(wǎng)電壓矢量輸入到預測控制模塊,計算出APF中PWM變換器交流側(cè)應輸出的電壓該電壓應保證在開關(guān)周期結(jié)束時刻消除掉瞬時有功和無功功率的跟蹤誤差;最后以為指令電壓,利用SVPWM技術(shù)產(chǎn)生合適的開關(guān)矢量去控制開關(guān)器件的通斷。2三角翼輸出濾波預測直接功率控制的實現(xiàn)2.1采樣周期開關(guān)周期三相電壓型APF主電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。在αβ靜止坐標系中,假設(shè)電網(wǎng)電壓為三相對稱,則APF注入電網(wǎng)中的瞬時有功和無功功率為式中:表示電網(wǎng)電壓矢量;珒ic=[icαicβ]T表示注入電網(wǎng)的補償電流矢量。因為一般情況下采樣周期(開關(guān)周期)Ts遠遠小于電網(wǎng)電壓周期,所以可認為在開關(guān)周期內(nèi)電網(wǎng)電壓保持不變,即因此前后兩個采樣時刻瞬時有功和無功功率的變化可表示為在αβ靜止坐標系中,三相電壓型APF的數(shù)學模型為忽略串聯(lián)電感等效電阻R的影響,將上式轉(zhuǎn)化為一階差分方程為由于控制目標是根據(jù)當前采樣時刻的信息,計算出交流側(cè)輸出電壓迫使瞬時有功和無功功率在下一個采樣時刻等于瞬時有功和無功功率參考值,即式中:ucon-α,ucon-β為APF交流側(cè)輸出電壓;eα,eβ為電網(wǎng)電壓;pc,pc*為瞬時有功功率實際值和參考值;qc,qc*為瞬時無功功率實際值和參考值;Ts為采樣周期(開關(guān)周期)。綜上所述,根據(jù)式(7)可以計算出在第k個開關(guān)周期應輸出的電壓,利用SVPWM技術(shù)即可求出各橋臂的開關(guān)函數(shù)。2.2預測直接功率控制apf在dq旋轉(zhuǎn)坐標系中,假設(shè)電網(wǎng)電壓為三相對稱,則APF注入電網(wǎng)中的瞬時有功和無功功率為式中:表示電網(wǎng)電壓在dq旋轉(zhuǎn)坐標系中矢量形式;表示注入電網(wǎng)的補償電流在dq旋轉(zhuǎn)坐標系中矢量形式。對于純正弦的三相對稱電網(wǎng)電壓來說,其在dq旋轉(zhuǎn)坐標系中的分量ed和eq是常數(shù),即因此前后兩個采樣時刻瞬時有功和無功功率的變化可表示為模型為式中ucon-d、ucon-q分別表示電網(wǎng)電壓在dq旋轉(zhuǎn)坐標系中的d軸分量和q軸分量,在忽略串聯(lián)電感等效電阻R的情況下,為實現(xiàn)解耦可令將上式轉(zhuǎn)化為一階差分方程為將式(13)代入式(9)可得控制目標同樣是迫使瞬時有功和無功功率在下一個采樣時刻等于瞬時有功和無功功率參考值。將式(6)代入式(14)并解得以上分別在αβ坐標平面和dq旋轉(zhuǎn)坐標平面論述了APF的預測直接功率控制原理。在αβ坐標平面上的預測直接功率控制不需要進行dq坐標變換,可省略電網(wǎng)電壓鑒相器,整個計算過程只在αβ坐標系進行,但該方法在推導過程中近似認為在開關(guān)周期內(nèi)電網(wǎng)電壓保持不變,即而實際的電網(wǎng)電壓在αβ坐標系下的分量eα、eβ不是恒定的。在dq坐標平面上的預測直接功率控制增加了dq坐標變換,但在推導過程中并沒有對電網(wǎng)電壓做近似處理。因此,在αβ坐標平面上的預測直接功率控制跟在dq坐標平面上的預測直接功率控制比較,結(jié)構(gòu)較簡單,但由于做了近似處理,其控制效果不如后者,存在一定的靜差。2.3線性預測算法從上述分析可知,不管是αβ坐標平面還是dq坐標平面上的直接功率控制都需要預測下一個開關(guān)時刻補償?shù)乃矔r有功和無功功率的參考值pc*(k+1)、qc*(k+1)。預測算法有很多,但有些預測算法計算量較大,實際應用有一定困難。本文的方法為了克服APF中PWM變換器輸出延時和采樣延時,并使控制方法的計算量盡量小,采用線性預測方法,該預測方法對瞬時有功和無功功率的線性變化段有比較好的預測效果。具體算法為其中:pc*(k+1)、qc*(k+1)表示下一開關(guān)(采樣)時刻瞬時功率的預測值;pc*(k)、qc*(k)表示當前開關(guān)(采樣)時刻瞬時功率的實際值;pc*(k-1)、qc*(k-1)表示前一開關(guān)(采樣)時刻瞬時功率的實際值。3數(shù)值模擬和實驗驗證3.1采用預測直接功率控制的對比為驗證APF直接功率控制策略的正確性,對APF傳統(tǒng)直接功率控制和預測直接功率控制進行仿真對比。仿真系統(tǒng)基本參數(shù)為:電網(wǎng)節(jié)點電壓為220V,頻率為50Hz;APF交流側(cè)電感為L=0.1mH,直流側(cè)電容C=4700μF;直流電壓參考值為700V;非線性負載為三相不控整流橋,開關(guān)頻率為18kHz。圖3為采用傳統(tǒng)直接功率控制法補償后的電源電流波形和頻譜。從波形圖可看出,在補償參考瞬時功率發(fā)生快速變化時,交流側(cè)注入的補償瞬時功率跟蹤不夠快速,造成在電源電流波形上出現(xiàn)較明顯的尖峰;經(jīng)頻譜分析,各次諧波都得到了一定的削弱,THD為3.95%,基本能符合國家規(guī)范,但5,7,11,13次諧波含量仍較大。圖4為采用預測直接功率控制方法補償后的電源電流波形和頻譜。從波形圖可看出,補償功率都能很好地跟蹤負載瞬時功率諧波成分的變化,電源電流波形在補償瞬時功率參考值劇變時出現(xiàn)一定的尖峰,但幅值及持續(xù)時間明顯要比傳統(tǒng)直接功率控制時小;經(jīng)頻譜分析,各次諧波都得到了很好的衰減,THD只有1.97%。對比圖3和圖4可知:采用預測直接功率控制方法,由于引入了預測環(huán)節(jié),所以比傳統(tǒng)直接功率控制具有更強的快速跟蹤能力,其諧波抑制效果較好;但其最主要的優(yōu)點是:克服了后者開關(guān)頻率不固定的缺陷,更有利于開關(guān)頻率成分的濾除。3.2補償電流生成電路為了驗證所提出的新型非線性控制方法的正確性,基于TMS320F2812設(shè)計了控制系統(tǒng),進行了實驗研究。相關(guān)電路參數(shù)與仿真時一致。圖5所示為未接入APF進行諧波抑制時A相電源電流isa實驗所測波形。由圖5可知:電源電流isa為非正弦波形,含有大量諧波分量,從波形上看,符合三相不控整流帶電阻負載的特征。圖6所示為采用預測直接功率控制方法補償后A相電源電流、補償電流和直流側(cè)電壓實驗所測波形。由圖6可知:注入電網(wǎng)的電源電流isa近似為正弦波形,僅在負載電流劇變處出現(xiàn)尖峰或畸變。因此表明所接入的APF對負載電流中的諧波分量進行了有效補償,從而抑制了諧波電流注入電網(wǎng)。另外,補償電流含有大量諧波,注入節(jié)點,很好地抵消了負載產(chǎn)生的諧波分量,使流入電網(wǎng)的電流近似正弦波形。并且,直流側(cè)電壓穩(wěn)定。4滯環(huán)比較器預測功率控制三相有源濾波器是一種性能理想的諧波治理設(shè)備,但同時也是一種多變量強耦合的電力電子裝置。直接功率控制策略是以瞬時有功功率和瞬時無功功率為控制量,從能量角度考慮的控制方法。傳統(tǒng)直接功率控制方法是將計算得出的瞬時有功和無功功率與對應的參考值輸入滯環(huán)比較器,根據(jù)滯環(huán)比較器輸出的比較結(jié)果及電網(wǎng)電壓在αβ平面上所處的扇區(qū)位置,在預存于內(nèi)存的開關(guān)矢量表中選擇合適的開關(guān)矢量去控制開關(guān)器件的通斷。由于采用了滯環(huán)比較器控制,控制的效果與滯環(huán)寬度密切相關(guān),且當寬度固定時,開關(guān)頻率不固定,波動較大。本文針對上述傳統(tǒng)直接功率控制的缺陷,提出了一種APF的預測直接功率控制策略。