一種基于空間矢量的恒頻滯環(huán)UPQC控制策略

殷少奇，白樹忠

（山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061）

一種基于空間矢量的恒頻滯環(huán)UPQC控制策略

殷少奇，白樹忠

（山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061）

研究分析了恒頻滯環(huán)控制，通過對(duì)滯環(huán)跟蹤控制的轉(zhuǎn)化，將空間矢量與恒頻滯環(huán)控制有機(jī)的結(jié)合起來，提出了一種適用于統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的基于空間矢量的恒頻滯環(huán)控制策略。在該控制策略中采用改進(jìn)后的SVPWM跟蹤算法，直接使用相間的電流誤差矢量的正負(fù)號(hào)來判斷指令電壓矢量所處的區(qū)域，不需要檢測三相電網(wǎng)電壓，優(yōu)化了控制算法。該控制策略不僅解決了滯環(huán)控制開關(guān)頻率不固定的問題，同時(shí)也克服了三相三線系統(tǒng)嚴(yán)重的相間干擾問題。通過Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證，證明這種控制策略對(duì)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器是可行的。

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器；恒頻滯環(huán)控制；空間矢量；相間干擾

1 引言

近年來，隨著電力事業(yè)的不斷發(fā)展，電能質(zhì)量問題得到越來越多的關(guān)注。大量非線性負(fù)荷、沖擊性負(fù)荷的投放使用，使得電能質(zhì)量日益惡化［1-4］，致使用戶蒙受了極大的損失。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）作為電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償設(shè)備，其聯(lián)合了串聯(lián)補(bǔ)償部分與并聯(lián)補(bǔ)償部分的功能，既可以改善電網(wǎng)側(cè)的供電質(zhì)量，又能防止負(fù)荷端的電流諧波污染電網(wǎng)，它通常是由一個(gè)串聯(lián)有源電力濾波器和一個(gè)并聯(lián)有源電力濾波器通過公共直流母線電容連接構(gòu)成背靠背結(jié)構(gòu)［5-6］。

畸變量檢測及其跟蹤控制的快速性與準(zhǔn)確性對(duì)UPQC的補(bǔ)償效果有著很大的影響。目前，統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器廣泛使用的滯環(huán)控制方法具有較好的控制性能，精度較高且響應(yīng)快，但是開關(guān)頻率不固定容易產(chǎn)生過大的脈動(dòng)電流和開關(guān)噪聲［7］，此外，整個(gè)系統(tǒng)還存在著負(fù)載換路時(shí)被控制量得不到有效控制而造成的三相三線系統(tǒng)嚴(yán)重的相間干擾問題。為此，提出一種基于空間矢量的恒頻滯環(huán)UPQC控制方法。該方法不僅可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率恒定，同時(shí)也能克服三相三線系統(tǒng)中出現(xiàn)的相間干擾。仿真結(jié)果證明了這種控制策略的可行性。

2 UPQC的恒頻滯環(huán)控制

滯環(huán)跟蹤控制的原理見圖1，以a相電流跟蹤補(bǔ)償為例。由于交流側(cè)電壓是對(duì)稱的，可將中性點(diǎn)等效為參考地，其與直流側(cè)中點(diǎn)是等電位。將實(shí)際輸出電流ica與給定的電流i*ca通過比較器得到電流偏差Δi，滯環(huán)比較單元對(duì)此偏差進(jìn)行判定，當(dāng)其超過±h時(shí)，由滯環(huán)比較器控制功率器件的通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)ica對(duì)i*ca的跟蹤，達(dá)到滯環(huán)控制的目的。

圖1 單相滯環(huán)跟蹤控制原理Fig.1 Principle block diagram of singlephase hysteresis tracking control

采用滯環(huán)跟蹤控制方法來產(chǎn)生UPQC主電路開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后在此基礎(chǔ)上，加入一定的算法使得開關(guān)頻率固定，即可實(shí)現(xiàn)UPQC的恒頻滯環(huán)控制。

由圖1可得，a相電壓瞬時(shí)值方程為

式中：ua是A點(diǎn)相對(duì)于直流母線中點(diǎn)的電壓。

開關(guān)管VT1導(dǎo)通為Udc/2，開關(guān)管VT4導(dǎo)通為-Udc/2。

若要控制輸出電流ica跟蹤指令電流，其誤差幅值不超過h，假定輸出電流為指令電流，則有

在參考電壓下，指令電流將會(huì)等于逆變器的輸出電流。式（1）與式（2）相減，定義誤差電流為則有

滯環(huán)控制電流輸出見圖2，由于逆變器開關(guān)頻率較高，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)參考電壓可近似認(rèn)為不變［8］，因此通過式（3）可計(jì)算誤差電流的上升時(shí)間t1和下降時(shí)間t2及一個(gè)開關(guān)周期T的總時(shí)間如下。

上升時(shí)間：

圖2 滯環(huán)控制電流輸出Fig.2 Output current controlled by hysteresis tracking

式（6）為開關(guān)周期T（即開關(guān)頻率f）與滯環(huán)控制環(huán)寬h的關(guān)系。傳統(tǒng)的滯環(huán)控制，環(huán)寬h固定，但由于u*a的不斷變化，使得開關(guān)頻率也將隨之波動(dòng)。若調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度，使式（6）恒定不變，即可達(dá)到固定開關(guān)頻率的目的。由式（6）可得環(huán)寬：

將式（2）代入式（7）可得：

通過式（8）計(jì)算環(huán)寬h，即可實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率的恒定。恒頻滯環(huán)控制環(huán)寬計(jì)算框圖如圖3所示。

圖3 環(huán)寬h計(jì)算框圖Fig.3 Calculation block diagram of hysteresis band h

3 滯環(huán)跟蹤控制的轉(zhuǎn)化

采用上述的恒頻滯環(huán)控制方法在三相系統(tǒng)中使用時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的恒定，但仍然無法解決相間干擾問題，而與矢量控制方法結(jié)合能有效克服上述缺點(diǎn)。電壓源型有源電力濾波器等效變換后，得到電路如圖4所示。

圖4 有源電力濾波器等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit of active power filter

引入空間矢量后，由式（3）可知逆變器實(shí)際輸出u的方向跟蹤指令電壓矢量u*時(shí)，可以控制電流誤差變化率dΔidt，即控制電流誤差矢量Δi，進(jìn)而達(dá)到電流跟蹤的目的。

UPQC并聯(lián)側(cè)控制系統(tǒng)的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)電源電流矢量is對(duì)電源指令電流矢量isr的跟蹤，定義電源電流誤差矢量：

電源電流受到有源濾波器輸出電流ic和負(fù)載電流iL的影響，由于iL是由負(fù)載類型以及負(fù)載大小決定，不可控，只有ic可控，所以可通過ic來控制電源電流誤差，由此可以定義濾波器電流誤差矢量：

由式（10）、式（11）可得

從式（12）可知Δis和Δi矢量關(guān)系相同。

由以上分析可得，在UPQC并聯(lián)側(cè)可利用ic對(duì)的滯環(huán)跟蹤控制來實(shí)現(xiàn)is對(duì)isr的跟蹤。一般u*在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)是固定的，可以通過正確選擇輸出電壓矢量U（kk=0，…，7）的方法來控制電流，使Δi限制在很小的區(qū)域內(nèi)，即可以使得Δis很小，進(jìn)而達(dá)到電源電流is跟蹤電源指令電流isr的目的。

4 UPQC并聯(lián)側(cè)的控制算法

4.1 控制原理分析

由以上推導(dǎo)可得出UPQC并聯(lián)側(cè)基于空間矢量的恒頻滯環(huán)控制算法的原理：首先將相電流誤差通過恒頻滯環(huán)比較器得到3組輸出值Δia，Δib，Δic，然后利用改進(jìn)后SVPWM電流跟蹤算法直接由三相相間的電流誤差矢量Δiab，Δibc，Δica判斷得到指令電壓矢量u*所在區(qū)域，將u*區(qū)域判定的結(jié)果與Δia，Δib，Δic經(jīng)過電壓空間矢量選擇，輸出最優(yōu)的電壓矢量Uk來控制開關(guān)動(dòng)作，使實(shí)際輸出的補(bǔ)償電流跟蹤指令電流，與此同時(shí)運(yùn)用本文所論述的恒頻滯環(huán)控制算法使開關(guān)頻率保持恒定?？刂扑惴ㄔ砣鐖D5所示。

圖5 UPQC并聯(lián)側(cè)的控制算法原理Fig.5 Control algorithm of the parallel side

4.2 u*和Δi的區(qū)域劃分以及Uk的選擇判據(jù)

在圖4的主電路中，矢量空間被8種開關(guān)模式所對(duì)應(yīng)的有源濾波器輸出電壓矢量Uk（k=0，…，7）劃分為6個(gè)三角形區(qū)域，故可以把u*（u*是指令補(bǔ)償電流矢量對(duì)應(yīng)的濾波器輸出指令電壓矢量）所在的區(qū)域分為6個(gè)三角形，記為Ⅰ～Ⅵ，如圖6a所示；為了方便Δia，Δib，Δic的正負(fù)極性判別，Δi空間區(qū)域可劃分為6個(gè)三角形區(qū)域，記為（1）～（6），如圖6b所示［10］。

圖6 u*，Δi區(qū)域劃分Fig.6 Region division ofu*，Δi

由式（3）可知，u*-u決定了dΔi的變化情況，在確定指令電壓矢量u*和電流誤差矢量Δi后，兩矢量的空間區(qū)域位置也隨之確定。為了達(dá)到電流跟蹤控制的目的，必須確定一個(gè)最佳的電壓空間矢量Uk，確保使補(bǔ)償電流誤差矢量變化率dΔi dt與電流誤差矢量Δi的方向始終相反，例如，當(dāng)Δi有減小趨勢時(shí)，為了阻止Δi減小，應(yīng)該使dΔi dt及時(shí)變大。

由文獻(xiàn)［11］可以得到，當(dāng)指令電壓矢量u*和電流誤差矢量Δi處于不同區(qū)域時(shí)，滿足上述條件的電壓空間矢量Uk的選擇情況如表1所示。

表1 Uk選擇判據(jù)表Tab.1 Selection criteria table ofUk

4.2.1 改進(jìn)后的u*區(qū)域判斷

為了方便描述，可將三相坐標(biāo)系abc順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°得到三相對(duì)稱坐標(biāo)系ab-bc-ca。三相坐標(biāo)系abc中的空間電壓矢量也被變換到三相對(duì)稱坐標(biāo)系ab-bc-ca中，如圖7所示。

圖7 三相ab-bc-ca坐標(biāo)系Fig.7 Three-phase ab-bc-ca coordinate system

表2 u*區(qū)域判斷Tab.2 Region determination table ofu*

4.2.2 關(guān)于Δi區(qū)域判斷

由圖6b可知，可以通過Δi在 a，b，c 3個(gè)坐標(biāo)軸上的分量Δia，Δib，Δic的正負(fù)極性來判別矢量Δi所在區(qū)域，而Δia，Δib，Δic的正負(fù)極性可直接通過3組恒頻滯環(huán)比較器輸出的邏輯狀態(tài)進(jìn)行直接判定（1為正，0為負(fù)），由此可判斷出Δi所在區(qū)域，如表3所示。

表3 Δi區(qū)域判斷Tab.3 Region determination table ofΔi

5 UPQC串聯(lián)側(cè)的控制算法

UPQC串聯(lián)側(cè)主要用于改善電網(wǎng)側(cè)的供電質(zhì)量，著力于解決電壓突變等電壓質(zhì)量問題。UPQC串聯(lián)側(cè)基于空間矢量的恒頻滯環(huán)控制算法與并聯(lián)側(cè)的控制算法原理相類似，不同之處在于串聯(lián)側(cè)是將指令補(bǔ)償相電壓值和濾波器實(shí)際輸出相電壓值的差通過本文已論述的恒頻滯環(huán)比較器比較后，得到3組輸出值Δua，Δub，Δuc。然后在利用改進(jìn)后SVPWM電流跟蹤算法判斷得到指令電壓矢量u*所在區(qū)域，將u*區(qū)域判定的結(jié)果與Δua，Δub，Δuc經(jīng)過電壓空間矢量選擇，得到最佳的電壓矢量來控制開關(guān)動(dòng)作，從而使得實(shí)際補(bǔ)償?shù)碾妷褐蹈欀噶铍妷骸?/p>

6 仿真結(jié)果與分析

通過Matlab/Smulink工具箱建立了相應(yīng)的仿真模型，仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖如圖8所示。

圖8 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖Fig.8 Principle block diagram of simulation experiment system

仿真具體參數(shù)為：電源電壓為三相正弦電壓，基波有效值為220 V，初相角取為零。接入的UPQC串聯(lián)側(cè)三相電感L1=5 mH，三相電容采用星型接法，電容值C1=1 μF，變壓器采用理想變壓器，變比設(shè)為1∶1；并聯(lián)側(cè)三相電感L2=7 mH，三相電容C2=2.2 μF；直流側(cè)電容電壓采用PI控制，直流側(cè)電容Cdc=4 700 μF，電容電壓初始值設(shè)為800 V。負(fù)載為不可控三相整流橋帶阻感負(fù)載Rload=20 Ω，Lload=2 mH。為了模擬受污染的電網(wǎng)，在仿真過程0.1～0.16 s時(shí)電源電壓跌落30%，并加入幅值為0.2（標(biāo)幺值）的5次諧波和幅值為0.1（標(biāo)幺值）的7次諧波。

仿真結(jié)果如圖9～圖11所示。由圖11可知，直流側(cè)電壓能夠基本保持恒定，控制效果較好。經(jīng)過FFT分析，補(bǔ)償前負(fù)載電流的諧波畸變率為30.25%，采用一般的滯環(huán)控制方式進(jìn)行補(bǔ)償后電網(wǎng)電流的畸變率降到12.83%，采用本文提出的控制方式補(bǔ)償后其畸變率為5.37%；補(bǔ)償前電源電壓的諧波畸變率為31.94%，采用一般的滯環(huán)控制方式進(jìn)行補(bǔ)償后負(fù)載電壓的畸變率為8.63%，采用本文提出的控制方式補(bǔ)償后負(fù)載電壓的畸變率降至5.76%。由以上分析可以看出，采用本文所提出的控制方案后，補(bǔ)償效果明顯改善。

圖9 并聯(lián)側(cè)仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of the parallel side

圖10 串聯(lián)側(cè)仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of the series side

圖11 直流側(cè)電壓Fig.11 DC link voltage

7 結(jié)論

本文提出了一種適用于統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的基于空間矢量的恒頻滯環(huán)控制策略，在該控制策略中采用改進(jìn)的SVPWM跟蹤算法，與傳統(tǒng)的SVPWM跟蹤算法相比，該算法簡化了硬件電路而且優(yōu)化了算法。Matlab/Smulink仿真結(jié)果表明，基于此控制策略的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器不僅對(duì)非線性負(fù)載造成的諧波污染以及電壓暫降等問題有顯著的補(bǔ)償效果，而且能夠有效地消除相間影響并且保持開關(guān)頻率的恒定，是一種可行的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制策略。

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修改稿日期：2013-11-15

Space Vector Based Hysteresis Control Strategy with Fixed Switching Frequency for UPQC

YIN Shao-qi，BAI Shu-zhong
（School of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan250061，Shandong，China）

A space vector based hysteresis control strategy with fixed switching frequency for unified power quality conditioner（UPQC）was proposed.The hysteresis control strategy with fixed switching frequency was researched.On this basis，by the conversion of the filter hysteresis tracking control fixed switching frequency hysteresis control was combined with space vector control.In the final control strategy，it judged the region of command voltage vector by using the sign of phase-to-phase current error vector.Compared with the traditional algorithm，detection of three-phase grid voltage is not needed and the algorithm is optimized.The method can solve the problem that switching frequency is unstable and overcome the problem of interphase interference in three-phase three-wire system.Through the Matlab/Simulink simulation，proved that this kind of control strategy for unified power quality conditioner is feasible and effective.

united power quality conditioner（UPQC）；hysteresis control with fixed switching frequency；space vector；interphase interference

TM761

A

殷少奇（1988-），男，碩士研究生，Email：kaka2509@126.com

2013-06-30