三電平四橋臂有源電力濾波器的預(yù)測(cè)電流控制研究

侯文寶，李德路

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

三電平四橋臂有源電力濾波器的預(yù)測(cè)電流控制研究

侯文寶，李德路

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

為解決三電平四橋臂結(jié)構(gòu)開關(guān)矢量多、計(jì)算量大及控制復(fù)雜等問(wèn)題，重點(diǎn)研究適用于三電平四橋臂結(jié)構(gòu)的電流預(yù)測(cè)控制策略，并通過(guò)建立Matlab模型，進(jìn)行理論分析和仿真研究。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用預(yù)測(cè)電流控制方法的有源電力濾波器對(duì)諧波電流和中線電流有較好的補(bǔ)償效果，并能有效地控制直流側(cè)電壓平衡。

有源電力濾波器；三電平四橋臂；預(yù)測(cè)電流控制；Matlab模型

0 引 言

有源電力濾波器（active power filter，APF）可以有效抑制電網(wǎng)諧波和補(bǔ)償無(wú)功功率，和傳統(tǒng)的無(wú)源LC濾波器相比，具有受電網(wǎng)參數(shù)影響小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。將多電平技術(shù)應(yīng)用于APF裝置的優(yōu)點(diǎn)是可以用于電壓較高的工作環(huán)境，降低了主功率器件的電壓應(yīng)力，減少了輸出電壓的諧波成分，降低了開關(guān)頻率和電磁干擾[1-3]。考慮到隨電平的增加控制復(fù)雜度和成本都將大幅增加，選用三電平四橋臂APF是比較合適的[4]。針對(duì)三相四線制系統(tǒng)，已有多種諧波電流補(bǔ)償策略，主要包括滯環(huán)補(bǔ)償控制法、載波調(diào)制法以及空間矢量法，但這些方法都各有缺陷[5]。本文深入研究了諧波電流預(yù)測(cè)控制，對(duì)基于諧波電流預(yù)測(cè)控制的三電平四橋臂APF進(jìn)行了理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：預(yù)測(cè)電流控制算法在三相四線制供電系統(tǒng)中，對(duì)諧波電流補(bǔ)償、中線電流抑制和直流側(cè)電壓平衡控制具有很好的性能。

1 三電平四橋臂APF

圖1為APF三電平四橋臂電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選取中線接入電感與三相接入電感一致，假設(shè)三相電源電壓為理想對(duì)稱，電路開關(guān)為理想元件，通斷控制由開關(guān)函數(shù)[7-8]來(lái)描述。

定義開關(guān)函數(shù)si（i=a，b，c，n），分別代表4個(gè)橋臂的開關(guān)狀態(tài)。

圖1 三電平四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

可知，開關(guān)函數(shù)滿足

則每個(gè)橋臂中點(diǎn)對(duì)直流電容電壓中性點(diǎn)O的電壓為

式中：udc1、udc2——直流側(cè)上下電容電壓；

E=udc1+udc2——總電壓。

以電流ia、ib、ic、in為狀態(tài)變量列寫狀態(tài)方程可得：

假設(shè)系統(tǒng)電壓為理想電壓（不含諧波以及基波負(fù)序和基波零序分量），可得：

根據(jù)基爾霍夫電流定律，可得：

由式（6）、式（7）以及式（4）可得：

綜合式（5）～式（11）可得到ABC坐標(biāo)系下三電平四橋臂APF的數(shù)學(xué)模型：

由式（12）可以看出，三電平四橋臂APF是一個(gè)非線性時(shí)變系統(tǒng)，4個(gè)開關(guān)函數(shù)決定了每相電流的大小和相電壓輸出，呈現(xiàn)強(qiáng)耦合性，4個(gè)中點(diǎn)電流又決定了直流側(cè)上、下電容的充放電狀態(tài)，必須要考慮中點(diǎn)電位穩(wěn)定以及中點(diǎn)電流方向和開關(guān)狀態(tài)。

2 諧波電流預(yù)測(cè)控制

預(yù)測(cè)電流控制[9-12]主要是利用當(dāng)前采樣時(shí)刻的狀態(tài)信息來(lái)計(jì)算下一采樣時(shí)刻指令電流值以及APF參考輸出電壓預(yù)測(cè)值，從而預(yù)測(cè)下一采樣周期補(bǔ)償電流并確定三電平四橋臂APF開關(guān)器件的開關(guān)指令，使APF的輸出電流準(zhǔn)確快速地跟蹤指令電流的變化。

根據(jù)三電平四橋臂APF數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)可知：

對(duì)式（13）進(jìn)行離散化可得到：

Ts——采樣周期。

電流預(yù)測(cè)控制的原理是先檢測(cè)系統(tǒng)諧波電流是否穩(wěn)定，若穩(wěn)定則說(shuō)明諧波電流呈現(xiàn)周期性變化，可用前一個(gè)系統(tǒng)周期對(duì)應(yīng)時(shí)刻的數(shù)據(jù)來(lái)代替k+1時(shí)刻的補(bǔ)償電流指令值若諧波電流不穩(wěn)定，則表明諧波電流變化不具備周期性，需要利用二階外推插值法求取。

這里設(shè)定誤差限ε，當(dāng)時(shí)，判定負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流穩(wěn)定，可用上一個(gè)周期指令電流值代替下一采樣時(shí)刻的指令電流值，即：

其中，N為一個(gè)工頻周期采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，當(dāng)補(bǔ)償器系統(tǒng)采樣頻率為10kHz時(shí)，N=0.02×104=200。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)分析

在Matlab/Simulink環(huán)境中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。仿真條件如下：電網(wǎng)電壓380 V，50 Hz；非線性負(fù)載為三相不控整流橋及A相接單相不控整流橋；APF接入點(diǎn)網(wǎng)的電感值為1mH，直流側(cè)電壓為1000V，采樣頻率10kHz；補(bǔ)償方案為實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

圖2為諧波檢測(cè)模塊得到的指令電流和預(yù)測(cè)電流控制模塊得到的預(yù)測(cè)指令電流，由圖可知，預(yù)測(cè)指令電流超前一個(gè)開關(guān)周期，但電流拐點(diǎn)處計(jì)算誤差較大。圖3為三電平APF的直流側(cè)電壓上、下電容電壓和直流側(cè)電壓。

圖2 指令電流及其預(yù)測(cè)值

圖3 直流側(cè)上、下電容電壓和總電壓

圖4是A相輸出電流跟蹤相指令電流的情況。圖5為補(bǔ)償后的A相電流諧波分析。由圖可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)APF補(bǔ)償?shù)南嚯娏骰緸檎也?。電流諧波畸變率（THD）從補(bǔ)償前的18.45%降為3.76%，有效抑制了諧波電流。

圖6為補(bǔ)償前后的中線電流。可以看出，補(bǔ)償前的中線電流幅值為20A，補(bǔ)償后中線電流的幅值和能量大大降低。

實(shí)驗(yàn)使用TI公司的TMS320F28335型數(shù)字信號(hào)處理器，這是一款浮點(diǎn)DSP控制器，采用內(nèi)部1.9V供電，外部3.3V供電，主頻150MHz。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用的具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：電源線電壓120V/50Hz，系統(tǒng)阻抗忽略不計(jì)；非線性負(fù)載為三相不控整流橋，A相接單相不控整流橋，進(jìn)線電感L=0.2mH；APF進(jìn)線電感L=1.0mH，直流母線電壓Ud=320V，電容C=2400μF；開關(guān)頻率為5kHz。

圖6 中線電流補(bǔ)償前、后波形

圖7是補(bǔ)償前A相電流波形，波形的畸變很嚴(yán)重，而圖8是補(bǔ)償后的A相電流波形，從圖8可以看出，基本為正弦波，補(bǔ)償效果很好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)對(duì)三電平四橋臂APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析建立了數(shù)學(xué)模型。對(duì)基于預(yù)測(cè)電流控制的三電平四橋臂有源濾波器進(jìn)行理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)研究。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：預(yù)測(cè)電流控制算法物理意義明確，計(jì)算量小，完全能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)諧波和中線電流的快速補(bǔ)償，并能有效地控制直流側(cè)電壓平衡。

圖7 補(bǔ)償前A相電流波形

圖8 補(bǔ)償后A相電流波形

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Research on predictive current control for three-level four-leg active power filter

HOU Wen-bao，LI De-lu
（Jiangsu Jianzhu Institute，Xuzhou 221116，China）

In order to overcome the problems of the numerous required switching vectors，massive computation，and complicated control scheme for three-level four-leg APF，this paper has focused on some research on predictive current control strategy.The paper establishes the Matlab model，and then the theoretical analysis and simulation research are carried out.The simulation and experimental results show that the APF with predictive current control strategy can compensate harmonic current and neutral current well and make the two capacitors voltage balance effectively.

active power filter；three-level four-leg；predictive current control；Matlab model

TN713；TP391.9；TP274；TM938.4

：A

：1674-5124（2014)06-0104-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.027

2014-04-17；

：2014-06-29

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012-K1-6）江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題資助項(xiàng)目（JYA14-16）

侯文寶（1982-），男，江蘇徐州市人，講師，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。