文小玲，李鳳旭，易 馳，文 超

（武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

電能是現(xiàn)代社會生產(chǎn)和人民生活中必不可少的重要能源.目前，全球電能存在一個普遍的難題，非線性、沖擊性和不平衡用電負荷大量增加，使電網(wǎng)的電能質(zhì)量惡化.有源電力濾波器（Active Power Filter，以下簡稱：APF）作為消除電力公害、改善供電質(zhì)量的有力工具，可以達到消除諧波、提高供電質(zhì)量的目的.

從APF的基本原理可知，控制方法的選擇對有源電力濾波器的補償效果有很大的影響.為了使APF對電網(wǎng)中的諧波及無功成分進行實時的動態(tài)補償，在準確地檢測出補償電流之后，如何有效地進行電流跟蹤控制是研究APF的一個重要方向.APF的電流跟蹤控制方法有很多種，滯環(huán)電流控制方法得到了較為廣泛的應(yīng)用，但是其開關(guān)頻率波動較大，穩(wěn)定性相對不高.為此，文獻［1］提出了基于電壓空間矢量的滯環(huán)電流控制法，該法既有較好的電流響應(yīng)速度，又有較好的電流跟蹤性能.單周控制法雖不需檢測諧波和無功電流分量，但控制器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且變換器所有開關(guān)都工作在高頻狀態(tài)［2］.無差拍控制法是一種數(shù)字化脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，以下簡稱：PWM）技術(shù)，它對諧波分量有一定的預(yù)測功能，但同時也有一些不足之處，如控制過程的計算量大，使得其對被補償量的預(yù)測周期增大，并易引起較大的預(yù)測誤差，最終影響補償特性［3］.本文以三相并聯(lián)型APF為例，在原有的無差拍控制思想的基礎(chǔ)上，提出了一種基于預(yù)測電流的無差拍控制方法，并對直流側(cè)電容電壓進行了控制，解決了在并網(wǎng)過程中，因直流側(cè)電壓大幅度波動而影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的問題.

1 有源電力濾波器系統(tǒng)組成

圖1所示為APF的控制原理圖，可分為主電路和控制電路兩大部分.其中，主電路由電壓型逆變器和連接電感構(gòu)成.控制電路主要包含兩大功能模塊：第一個功能模塊是指令電流檢測模塊，其作用是為了檢測出所需要的補償對象，例如非線性負載中的諧波和無功電流分量，然后再根據(jù)APF的補償目標得出相應(yīng)補償電流的指令信號；其次就是電流跟蹤控制模塊，通過選擇不同的電流跟蹤控制方法來產(chǎn)生PWM脈沖信號，以控制開關(guān)管的通斷狀態(tài)，使APF產(chǎn)生能跟蹤補償指令電流的輸出電流.

圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器組成原理圖Fig.1 The structure of shunt active power filter

2 電流跟蹤控制

有源電力濾波器的控制方法有很多種，本文所選用的是基于電流預(yù)測的無差拍控制方法.圖1中，ea、eb、ec為電網(wǎng)電壓，ica、icb、icc為 APF 輸出電流，L為連接電感，Udc為直流側(cè)電容電壓.假設(shè)主電路的開關(guān)器件為理想開關(guān)，并工作于互補開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)逆變器上橋臂導(dǎo)通時，APF輸出電壓為Udc；當(dāng)下橋臂導(dǎo)通時，APF輸出電壓為0.以A相為例，設(shè)在開關(guān)周期Ts內(nèi)，上橋臂導(dǎo)通時間為daTs，則APF的A相輸出電壓可表示為uan＝daUdc.同理，可求得B、C相電壓.由圖1所示APF主電路結(jié)構(gòu)，根據(jù)電壓回路定律，可得到三相電壓平衡方程

將APF三相輸出電壓代入方程式（1）并改寫成矩陣形式，就可得到APF的無差拍電流控制數(shù)學(xué)模型

其中

將方程式（2）離散化可得占空比

從方程（3）可以看出，指令電流與反饋電流的差值對占空比的大小有很大的影響.為克服采樣和計算延遲對補償性能的影響，并使控制方法的計算量盡量小，采用線性預(yù)測方法在k采樣時刻預(yù)測逆變器在k＋1時刻的輸出參考電流.由于電流的周期性考慮，可以假設(shè)電流增量在每個控制周期近似相同［4］，經(jīng)過線性推導(dǎo)可以得到k＋1時刻的參考電流預(yù)測值為

3 直流側(cè)電壓控制

APF在動態(tài)過程中，直流側(cè)電容電壓會產(chǎn)生大幅度的波動，這種電壓的不穩(wěn)定性將會直接影響整個裝置的安全可靠運行.在啟動、并網(wǎng)和負載切換等動態(tài)過程中對直流母線電壓的控制是十分必要的［5］.對于直流側(cè)電壓的控制，需要從兩個方面來考慮，一是APF在投入逆變前的直流側(cè)軟啟動，二是在逆變過程中直流側(cè)電壓的穩(wěn)壓控制.

直流側(cè)電壓控制原理圖如圖2所示.對于直流側(cè)的軟啟動部分，分為直流側(cè)電容的預(yù)充電和升壓過程.這樣，一方面可以使直流側(cè)電壓在一定的時間里呈線性增加，另一方面可以保證電流較小的沖擊量，防止系統(tǒng)在投入逆變時發(fā)生過流過壓的情況.直流側(cè)電壓的預(yù)充電過程，可以利用由逆變器的反并聯(lián)二極管所組成的不控整流橋來實現(xiàn).在充電穩(wěn)定后進行的升壓過程，可以通過主電路的三相升壓（Boost）整流電路來實現(xiàn).具體實現(xiàn)方法是，將主電路的三個下橋臂開關(guān)管關(guān)斷，使三個上橋臂開關(guān)管工作，給每個管子以相同的占空比，并通過信號數(shù)字處理器（Digital Signal Processing，以下簡稱：DSP）來控制占空比的大小，使其值從0開始呈線性增加，最后達到一個固定值，此后主電路以穩(wěn)定的占空比對直流側(cè)電容進行充電，直到電壓達到期望值Uaim.

在直流側(cè)電壓達到期望值后，利用直流側(cè)電壓瞬時值Udc和直流側(cè)電壓設(shè)定值Uaim的差值，經(jīng)比例－積分控制（Proportional－Integral Control，以下簡稱：PI）閉環(huán)控制環(huán)節(jié)來進行穩(wěn)壓控制.這種控制方法一方面能夠快速隨著電網(wǎng)電壓變化，另一方面可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，從而維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定.

圖2 直流側(cè)電壓控制原理框圖Fig.2 Block diagram of direct current link voltage control

4 軟件設(shè)計

本實驗系統(tǒng)的采樣頻率為6.4kHz，即在每個工頻周期內(nèi)采樣128個點.系統(tǒng)主要是由DSP處理器6號捕獲通道CAP6中斷服務(wù)程序、定時器T1中斷服務(wù)程序和模數(shù)轉(zhuǎn)換A／D中斷服務(wù)程序組成［6］.主程序流程圖如圖3所示.其中，CAP6中斷服務(wù)程序是為了解決電壓同步信號及程序內(nèi)部正余弦表指針復(fù)位的問題；T1中斷服務(wù)程序是用來觸發(fā)采樣程序的；A／D中斷服務(wù)程序完成了電流電壓等信號的采樣，并將其結(jié)果經(jīng)基于瞬時有功電流、無功電流的ip－iq算法得到指令電流.最后將指令電流與檢測到的反饋電流的差值，經(jīng)無差拍控制算法處理得出占空比，送入事件管理器（Event Manager以下簡稱：EV）模塊，觸發(fā)主電路工作.

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flowchart of main program

圖4為控制程序流程圖.首先T1中斷服務(wù)程序會在一個時間周期里產(chǎn)生一次中斷，此中斷產(chǎn)生時就會觸發(fā)一次A／D采樣，所以A／D采樣的周期是由T1周期中斷的時間來確定.在本實驗中，所設(shè)定的T1周期寄存器的值為工頻周期的1／128，即在一個工頻周期時間里DSP控制器會采樣128次.先將直流側(cè)的電壓升壓到期望值，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后的量，加入到指令電流ip－iq算法過程中.然后經(jīng)過預(yù)測與無差拍電流跟蹤控制，最后計算得到所需的占空比，送入EV模塊，其后DSP發(fā)出相應(yīng)的控制脈沖控制主電路輸出所需的補償電流.發(fā)完一次脈沖之后，DSP將會自動判斷是否完成了128次A／D采樣，如果完成了128次采樣就直接中斷返回，如果沒有完成則正余弦指針自動加1，直到中斷返回.其中，每送一次占空比，就會自動產(chǎn)生一個A／D中斷.

圖4 控制程序流程圖Fig.4 Flowchart of control program

5 實驗結(jié)果分析

為了驗證基于預(yù)測電流的無差拍控制算法的可行性及有效性，在完成所有的軟件、硬件基礎(chǔ)上，以圖1作為實驗?zāi)Ｐ?，對并?lián)型有源電力濾波器進行了實驗.實驗中的電源相電壓為50V，所選的連接電抗器的大小為3mH，負載為二極管整流橋帶燈箱的非線性負載，電流有效值3A，實驗結(jié)果波形從TDS3012B型示波器中觀察得出.以c相為例，指令電流、負載電流和網(wǎng)側(cè)電流波形如圖5所示.

圖5 APF投入前后網(wǎng)側(cè)電流波形比較Fig.5 The comparison of the current waveform of grid side

圖5（a）中上面的波形是采用ip－iq算法得到的指令電流波形icc，圖5（a）中下面的波形是未經(jīng)過APF補償?shù)木W(wǎng)側(cè)電流波形，即為負載電流isc.從圖中可以看出，在此控制方法下，可以準確的得到所要補償?shù)闹噶铍娏?，未?jīng)APF補償時，網(wǎng)側(cè)電流中是含有諧波電流分量的.圖5（b）中上面的波形是經(jīng)過APF補償后的網(wǎng)側(cè)電流，圖5（a）中下面的波形是直流側(cè)電容電壓Udc波形.從圖中可以看出，在本文提出的基于預(yù)測電流的無差拍控制方案下，經(jīng)過APF補償之后，可以得到一個近似正弦波的網(wǎng)側(cè)電流.因此本文提出的控制法可以有效的消除非線性負載中的諧波電流對電網(wǎng)的影響.

6 結(jié) 語

本文提出了一種基于預(yù)測電流的無差拍電流跟蹤控制方案，并完成了該控制方法在APF系統(tǒng)上的軟件設(shè)計.該法將預(yù)測電流控制算法預(yù)測出的下個采樣周期的參考電流，加入到占空比計算中，推導(dǎo)出了下個采樣周期的開關(guān)占空比信號，克服了傳統(tǒng)無差拍控制因計算延遲而影響補償效果的缺點，達到了實時跟蹤電流波形的效果.實驗證明，該電流跟蹤控制方法可以有效地濾除電網(wǎng)中的諧波電流分量，使網(wǎng)側(cè)電流趨近于標準的正弦波；加入的直流側(cè)電壓控制，使系統(tǒng)在啟動、并網(wǎng)和負載切換等動態(tài)運行過程中，直流側(cè)電壓值可以在一定范圍內(nèi)上下波動，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

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