有源滤波器的电压空间矢量双滞环

ｐｐｒ ｓ ｔａ ｅｄｕｌｈｓｒ ｉｃｒｎ ｃｎ ｌ ｈｄ ａｅｐ ｅ ｓ ｏ ｌ ｂ ｙｅ ｓ ｕ ｅｔ ｔ ｍ ｔ ｅ ｒ ｎ ｎｖ ｏ ｅ ｔ ｓ ｒ ｏ ｒ ｅ ｏ ｅ ｏ ｆ ａｉ ｐｗ ｒ ｒ ｖｌｇ ｓ ｃ ｖｃ ｒ ｈ ｃｎ ｌ ｏ ｃｖ ｏ ｅｆｅ ｗｔ ｏａｅ ｅ ｔ． ｏｔ ｉ ｒ ｅ ｔ ｉ ｉ ｔ ｐ ｅｏ Ｔｅ ｒ ｓ ｌ ｔ ｈ ａ ｏ ｄｅｔ ｅｅｕ ｄ ａ ｏｒ ｎｔ ． ｓ ｍ ｔ ｄ ｗ ｉ ｉｃｙ ｃｔ ｏ － ｏ ｉ ｅ Ｔ ｉｎｗ ｈ ， ｃ ｒ ｌ ｘ ｅ ｎ ｃ ｄ ａ ｓ ｈ ｅ ｅ ｏ ｈ ｈ ｌ ｆ ｕｌｅ ｏｔ ｔ ｔ ｅ ｔ ｉ ｅｅ ａｄ ｅｅｔ ｃｒｎ ｔｚｓ ｐ ｖｌｇ ｏ ｈ ｎ ｒｒ ｉ ｆｃ ｏ ｕｅｔ ｉ ｉ ｕ ｕ ｏａ ｆ ｖｔ ｎ ｔ ｅ ｓ ｎ ｒ ｅｏｔｄｔｍｎ ｔ ｌ ａｏｓ ｈ ｒｅ ｎｅ ｔ ｅ ｔ， ｒ ｒ ｅ ｒ ｉ ｈ ｏ ｔｎ ｏｔ ｅ ｒ ｃ ｖｌｇ ｖｃ ｒｓ ｒ ｏ ｅ ｅ ｃ ｉ ｆ ｆ ｅ ｅ ｅ ｏａ ｅ ｏ ｉ ａ ｕ ｔ ｓ ｐ ａｄ ａｌ Ｍｅｎ ｈｅｖｌｇ ｓａ ｖｃ ｒ ｃ ｒｅ ｉ ｌ ｎ ｒ ｂ ． ｗ ｉ， ａｅ ｃ ｅ ｏ ｉ ｃ ａ ， ｅ ｅ ｅ ａ ｌ ｏ ｍ ｉ ｌ ｔ ｐ ｅ ｔ ｓ ｉｒ ｕｅ ｉｏ ｃｎｏｓｓｍ ｅｓ ｅ ｏｔ ａｂｈｖ ｒ ｎ ｏ ｃｄ ｔ ｏｔｌ ｅ ｔ ｎ ｒｔ ｐｍ ｌ ａｉ ｔｄ ｎ ｈ ｔ ｅ ｒ ｙｔ ｏ ｕ ｈ ｉ ｅ ｏ ｅ ｏ ｔ ｖｃ ｒ ｔｌ ｍｎ ａｒｐ ｃｎ ｎ ａｄ ｘ ｕ ｆ ｅｔ ｃｎ ｗｔ ｉｍ ｌ ｌ ｏｔ ｔ ｍ ｉ ｍ ｈ ｅ ｏ ｏ ｒ ｉ ｏ ｈ ｉ ｉ ｅ ｅ ｎ ａ ｍ ｐ ｕｌａｏ ｏ ｔ ｄ ｂｓ ｔ ｅＴ ｅ ｆ ｐ ｐｓ ｃｎｏ ｔｚ ｉ ｆ ｏ ｖｌｇ． ｒｏ ｔ ｒ ｏｅ ｏｔｌ ｉ ｔｎ ｈ ｉ ｅ ｕ ｏａ ｈｅ ｒ ｈ ｏ ｄ ｒ ｅ ｅ ｓａ ｇ ｃｕ ｅｉｅｔ ｓｐｒ ｓ ｅｏｃｒｎａｄ ｍ ｎ ｔｔ ｙ ｌ ｆｃ ｎｙ ｐ ｓｔ ｒ ｒ ｅｔ ｈｒ ｏｉ ｒｅ ｏ ｄ ｉ ｌ ｕ ｅ ｈ ｒ ｕ ｅ ｒ ｎ ａ ｃ ｃ ｔ ｔ Ｆ ａｙｓ ｕ ｔｎ ｕｓ ｗ ｏ ａｒ ｍ ｎ ｗｔ ｏ ｅ ｓ ｉ ｌ， ｌｉ ｒ ｌ ｓ ｇ ｄ ｅ ｅｔ ｎ ｎ ． ｎ ｉ ａｏ ｅ ｔ ｈ ｏ ｇ ｍ ｓ ｏ ｅ ｉ ｈ ｔ ａｔｉ ｔ ｐｒ ｒ ａｃ． ｈ ｎｃ ａ ｄ ｆ ｍ ｎｅ ｅ ｐ ｅ ｅｏ ｉ
Ｉ ． ｅｓ
： （ ｅｕ） （ 丝＿三＋一ｋ ： ）（ ５ ）
ｄ ｔ ｔ ｄ
定义等式右边括号中的项为参考电压 “ ，即 ＊
， ；ｃ ， ｄ一 。 ｉ ＿
已 ‘ － 直 一 “ ， 七 尸
（） ６
ｕａ
，ｓｅ 之 ｔｏ ｅｓ ｌ
－－
Ｒ ＋ ａ ｅａ ｉ Ｌ ＋ ， ｄ ｉ ｃ
开关模式 ｋ ０
， １ ２ 内Ｊ ４ ｌｆ 】 子白 ７
相邻的１ 个区域， ２ 但由 于相间缺少配合， 所选用的 开关模式可能达不到预期效果， 即误差进一步增大进
入另外 ６ 个区域，此时误差电流的幅值为两倍环宽。 ．二
侃一 黑
生 。 －１ｌ３ －１ｌ３ 明 功
０ －ｌ３ 那 １３ 那 －ｌＱ
０ －ｌｎ 仍 明 胡 １３ 仍 ０ 朋 。
脉宽调制（ Ｐ ） ＷＭ 技术和滞环电流控制是电压源 逆变器的电流控制的两种主要方式。 Ｐ 利用 ＷＭ技术 可以获得恒定的开关频率， 装置安全性较高， 但响应 速度受闭环稳定性要求影响， 即便是在稳态也会出现
明 滞后误差［ 滞环控制可以 显的 ５ １ ０ 获得较好的 控制性
能，精度较高且响应快，但开关频率可能波动很大。
配合的缺点， 提高直流电压利用率， 避免了不必要的 开关。
第ｔ ｏ期
姜俊峰等： 有源滤波器的电压空间矢量双滞环电流控制新方法
２ 有源滤波器的矢量控制原理
图 ２为并联有源滤波器的等值电路，图中用 ３ 个理想开关代替实际的逆变桥， 并假定直流侧电容电 压为一恒定值 Ｖ， ｄｅ 为系统电 则图中三相电路在 压， ａｃ ｂ 坐标下的状态方程为 Ｊ
Ａ Ｓ Ｒ Ｃ ： ｏ ｅ ｔ ａ ｉ ｅ ｉ ｃｒｎ ｒ ｐｎ ｉ Ｂ Ｔ Ａ Ｔ Ｉ ｒ ｒ ｃ ｅ ｑ ｃ ｕ ｅｔ ｏｓ ｎ ｎ ｄ ｏ ｖ ｕ ｋ ｒ ｅ ｈ ｓ ｅ
ｔｎｉ ｔ ｅ ｅ ｍ ｎｔｈｒ ｎ ｃｒ ｎ ｉ ｓ ｂ ｓ ｔ ｔｉ ｒ ｓ ｎ ｓ ｔ ａｄ ｉａ ａ ａ ｅ ｔ ｎ ｌ ａ ｉ ｅ ｍｏｉ ｕｒ ｔ ｔ ｌ ｔｅ ｈ ｃ ｅ ｎ ｅ ， ａ ａ ｓ
有源滤波器的电压空间矢量双滞环
电流控制新方法
姜俊峰，刘会金，陈允平，孙建军
（ 武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 ４０７ ） ３０２
Ａ ＯＶＥ ＤＯＵＢＬ ＨＹＳ Ｅ Ｎ Ｌ Ｅ Ｔ ＲＥＳ Ｓ ＵＲＲＥ Ｉ Ｃ ＮＴ ＯＮＴ Ｃ ＲＯＬ Ｅ Ｍ ＴＨＯＤ ＯＲ ＣＴ ＶＥ Ｆ Ａ Ｉ Ｐ ＡＧＥ ＡＣＥ ＥＣＴ ＯＷ ＥＲ Ｉ Ｔ Ｒ Ｉ Ｈ Ｆ Ｌ Ｅ Ｗ Ｔ ＯＬ Ｔ Ｓ Ｐ Ｖ ＯＲ
十ｅ ｃ
式中所有电压均以系统中性点Ｎ为参考点。
转化为如何正确地选择 ｕ ） （使误差电 ｋ ｋ 流都 制在一个
很小的区域内。
３ 双滞环电 流控制
传统的三相滞环电流控制实际上就是 ３个独立 的单相滞环控制， 由于未考虑相间影响， 开关频率可
图２ Ｐ Ａ Ｆ等值电路 ｉ ｉ ｉ ｒｍ Ｐ Ｆｇ２ ｑｉ ｌ ｔ ｕ ｄ ｇａ ｏＡ Ｆ ｉ Ｅ ｕ ａ ｎｃ ｃ ｔ ． ｖｅ ｒ ａ ｆ
能波动很大。 （为其误差电 图３ ） ａ 流ａ在复平面上的分
区及对应的开关状态， 表示该相不动作，图中３ ｘ 对 平行线分别代表各相滞环上下界限， 围成的正六边形 称为死区。 理想情况下， 误差电流只会进入于与死区
引入开关函数Ｓ ＳＩ 则图２ ． Ｓ Ｉ ． ｂ ， 中的逆变器共
有８ 开 状 对 输出 压 表１ 计 种 关 态， 应的 相电 见 １不 系 ９ １ （
文［讨论了 逆变器双滞环控制技术，希望将误 ［ ６ ］ 差电流限制在内 外两层滞环之间， 虽然在一定程度上 改善了 波形，但误差并未得到有效控制。文［ ， ７ ［ ］ ８ ］
采用 “ 尝试一错误一校正一保持” 的方法判定参考电 压的区域， 但这一过程可能会影响有源滤波器的电流
， 引言
近年来，大量非线性负荷投入电力系统运行引
该方法直接在复平面上实施控制内环选择的开关状态减少高次谐波分量外环选择的开关状态电流响6文讨论了逆变器双滞环控制技术希望将误应速度快有效限制误差电流改善滤波器性能
第 ２ 卷 第 １期 ４ ０ ２０ 年 １ ０４ ０月
中 国 电 机 工 程 学 报
Ｐｏｅｄｎ ｓ ｈ Ｃ Ｅ ｒｃｅｉｇ ｏ ｔ Ｓ Ｅ ｆ ｅ
ｏＸ 。． ｔ１－ ｘ０ ０８ １ ０｝ 一ｉ ，ｏ ｘ 树． ＿ １ ｉ ０ ｘ ｏ
（ ＼ 昨 洲 叼 ／ （ ０ 伪
。
０１ ０１ １０ １０ １０ 川
分 ＼ ‘｜ （３） 只 ＼ 荔 Ｊ 如 ｆ 、了 、 ／ 丫、 ｃ ：５） 勺 火
ｅ
￣ 。 补 ‘ 『 ＼ （ 气
统电 零轴分量，电 压的 压值均以Ｖ为 ｄ 基准归一化） 。
由于逆变器交直流侧是隔离的， 相间相互影响， 一相 电流可能会受其它两相开关状态影响。
表 １开关状态及逆变器输出电压 Ｔ ｂ １ ｗｔ ｉｇ ｄｓ ｏ ｔｕ ｖｌ ｇｓ ｈ ｉｖｒ ｒ ａ ． Ｓ ｉｈｎ ｍｏｅａ ｄ ｐ ｔ ａｅ ｏ ｔｅ ｅｔ ｃ ｎ ｕ ｏ ｔ ｆ ｎ ｅ
Ｊ Ｎ Ｊｎｆ ｇＬＵ ｉｉ， Ｅ Ｙ ｎｐ ， Ｒ 一 ｎ ｇＳ Ｎ ｎ ｕ Ｉ Ｇ － ｎ， Ｈ 一ｎＣ Ｎ －ｉ Ｕ ａ Ａ ｕ ｅ Ｉ ｕ Ｈ ｕ ｎ ｇＷｕａ Ｕ ｖ ｓ ， ｈｎ ０２Ｃ ｉ （ｃｏｌ ｌ ｔｃｌ ｉ ｅｎ， ｈｎ ｉ ｒｔ Ｗｕａ ４０７， ｎ） Ｓｈｏｏ Ｅｅ ｒ ａＥ ｇ ｅｒ ｆ ｃ ｉ ｎ ｎ ｉ ｎ ｅｉ ｙ ３ ｈａ
＼ ”＼ 匀
。 了 、１ ／
。
幼
夕 丫 人 日 （ｌ） 的 币 ／ 砷 沐 ．
引 。
、
久
＼ 以 一 ，
１
０１
之
１３ １３ ０
（ 传统单滞环控制 ａ ）
双 滞 环 矢 量 控
带
当 矢量，即 采用空间 静止正交 ａ 坐标， 节 两坐
标系有如下的关系
－ｌ
图３ 滞环控制状态切换图 Ｍ ． ｏ ｍ ｔｉ ｄ ｇ ｍ ｈｓ ｒ ｉ ｕｒ ｔ ｒ ｇ３ ｍ ｕ ｔｎ ｒ ｏ ｙ ｅ ｓ ｃｒ ｎｃｎ ｏ Ｃ ａｏ ｉ ａ ｆ ｅｓ ｅ ｏｔ ｌ ａ ｔ
、ｒ １ ‘
则式（ 简化为 （ ５ ）
Ｌ－ ＝ “ 一“（ ｋ） ｄ ｔ
Ｑｆ
勺
，ｓ ｄ
（） ７
丸
－一
ｕｃ
－一
、
Ｒ十 、Ｌ 争 Ｒ＋ ｉＬ ｃ鲁 ，
十
几
（） １
在式（ 中， 参考电 ＊ （ 的电 ７ ） 压ｕ和ｕ ） 压偏差产生 ｋ
误差电流ｂ寸 ５ 时间的导数。通常，认为参考电压 “ ｔ ＊ 在一个开关周期中是一常数， 因此电流控制的问题就
起的电 质量问 能 题备受关注。 有源滤波器（Ｐ） ＡＦ 被认 为是抑制谐波最有效的设备之一［１ 典型的 ［。 １ － ４ 有源滤 波器即 一台电 压源逆变器， 通过电 抗器并入电网４ ［ １
跟踪速度。 鉴于此， 本方案直接在复平面上实施控制， 采用双滞环电流控制并对稳态和暂态运行情况区别 对待， 大大减少补偿误差，改善了Ａ Ｆ的性能；利 Ｐ 用逆变器开关状态及其引起的误差变化来判断有源 滤波器参考电压的区域，原理简单、判断快速准确； 引入电压空间矢量克服传统滞环控制技术缺少相间
摘要： 该文提出了一种有源滤波器的电压空间矢量双滞环电 流控制新方法。该方法直接在复平面上实施控制，内 环选择 的开关状态减少高次谐波分量，外环选择的开关状态电流响 应速度快，有效限制误差电流，改善滤波器性能：利用逆变 器输出电压及其引起的误差变化来判断有源滤波器参考电压 矢量所在的区域，简单可靠。电压空间矢量的引入可以提高 直流电 压利用率， 低开关频率。 降 仿真结果证明了 其可行性。 关键词： 电力电子；有源滤波器；电压空间矢量；双滞环电 流控制
如图 １ 有源滤波器的性能很大程度上取决于逆变器 。 的电流控制。
图１ Ｐ Ａ Ｆ基本补偿系统
ＦｇＩ ａｉｃｍｐｎａｉ ｓｓ ｍ Ｐ ｅｓｔ ｎ ｔ ｏＡ Ｆ ｉ ． Ｂ ｓ ｏ ｃ ｏ ｙ ｅ ｆ
Ｋ Ｙ Ｏ Ｄ ： ｅ ｅｃｏｉ； ｖ ｐｗｒ ｒＶｌｇ Ｅ Ｗ Ｒ Ｓ Ｐｗ ｒ ｔｎ ｓＡｔｅ ｅｆｅ ｏａ ｏ ｌ ｒ ｃ ｃ ｏ ｉ ； ｅ ｅ ｉ ｌ ｔ ｔ ｓａ ｖｃ ｒ ｏｂ ｈｓｒ ｉｃｒｎｃｎ ｌ ｐｃ ｅｔ ； ｌ ｙｔ ｓ ｕ ｔ ｒ ｅ ｏ Ｄ ｕ ｅ ｅ ｓ ｅ ｅ ｒ ｏｔ ｏ
Ｉ］ ［－２一２ ｆ＿ １ １ －２ １ ｒ ／ ／
ｅｓ ｅｓ ｅｓ ｅｓ Ｊ
ｅｓ ｅｓ ． ｅｓ ． ｅｓ ． Ｌ
－ｌ
ｅｓ ｅｓ ｅｓ
ｆａ 几 ｆｃ
Ｌａ ３ － ２ 一 ３ ２ ｒ １ Ｌ ０／ ４ ／ ０
＿ ＿ ＿山。
（） ２
在传统单滞环控制原理的基础上，本文提出了 一种双滞环电流控制新方法， 并采用电压空间矢量消 除相间影响， 其控制原理可用图３ ） （ 说明， ｂ 为便于直
Ｖ １ ４ ． ｔ２ ０ ６． Ｎｏ１ Ｏｃ． ４ ２ ０ ０
０２ ０ Ｃ ｉ Ｓ ．ｒ ｃ ｎ ． ｃｏ Ｅｅ． ｇ ０４ ｈ ｏｆ ｌ Ｅ ｎ
７ ０ 学科分类号：４ ０４
文章编号：０５－ １（ ０）０ ０２ ５ ２８ ０３２ ４ １－ ８－ ８ ０ ０ ０
中图分类号：Ｔ ６ 文献标识码：Ａ Ｍ７ １