技术探讨Ｉ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮ ＣＨＩＮＡＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ中阅饭ｊｌ｛聂丧 ２０１０年第１期 ＡＰＦ空间矢量预测电流控制策略研究 ＳＶＭ Ｂａｓｅｄ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＴＯｒｆＯｒ Ａｃｔ ａ Ａｃｔｉ ｅ ｏ ｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ史丽萍王正达张璐徐明柯 ｊ （中国矿业大学信息与电气工程学院， ； 。 江苏徐州２２１００８） 摘 要：影响有源电力滤波器性能的两个关键环节是 无功谐波电流检测环节和电流跟踪控制环 节。本文先阐述ＡＰＦ的原理与系统结构，然后ｊ 对基于 一ｉｑ运算方法的谐波电流的实时检测ｊ 方法进行论述。为提高ＡＰＦ的电流跟踪性能， 采用电压空间矢量预测电流控制方法。最后仿； 真实验表明，该方法具有更好的电流控制效 ｉ果。 关键词：谐波电流检测有源滤波器 预测电流控制 ； Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｌｉｎｋ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｉｎｋ． Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｆｉｒｓｔ ｅｘｐａｔｉａｔｅ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ＡＰＦ．Ｔｈｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｏ ｐｉｃｋ－ｕｐ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ 一ｉｇ ｍｅｔｈｏｄ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＡＰＦ．ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ，ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ＡＰＦ ｉＳ ｕｓｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｖｅ ｂｅｔｔｅｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｆｆｅｃｔ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ＡＰＦ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏ１ １引言 随着国内工业化进程的不断加快，尤其是直流输 电和柔性交流输电系统（ＦＡＣＴＳ）的采用，化工、冶 金、煤炭等工业部门中大量应用电力电子设备，以及节 能工作中电力电子技术的应用等，使得电力系统的谐 波问题日益严重，谐波的管理、监测和治理等变得十 分重要。 面对电力系统的无功及谐波问题日趋严重的状况， 传统的各种无功补偿及谐波抑制方法已难以满足现代 电力系统的需要。作为一种新型补偿装置，有源电力滤 波器（ＡＰＦ）能快速对大小和频率均变化的谐波及无功 进行补偿，近年来受到了广泛的重视。 ＡＰＦ关键技术在于谐波电流检测与补偿电流的产 生。本文利用ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭｕＬＩＮＫ中所提供的电力 系统模块，对三相四线制有源电力滤波系统进行了建 模与仿真分析。该有源电力滤波系统由三相电压型逆 变器和并联于负载的输入电感构成。文中选用以针对 三相三线制系统谐波检测所提出的 一ｆ 法对谐波电 流进行检测；采用应用于三相三线系统的基于空间矢 量预测电流控制策略控制补偿电流的产生。 ２并联型有源电力滤波器的原理及系统构成 并联型有源滤波器向电网注入补偿电流，抵消谐 波源产生的谐波，使电源电流成为正弦波，其本身表 现出电流源的特性，并联型有源滤波器主要用于补偿 可以看作电流源的谐波源。谐波源一般是非线性负 载，如整流器等，产生谐波电流 ，供电系统一般为被 保护对象；有源滤波器表现为流控电流源，它的作用 是产生和谐波源谐波电流大小相等方向相反的补偿电 中阅豫嚣｛霸走ＣＨＩＮＡ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ ２０１０年第１期 ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮ 技术探讨 流来达到消除谐波的目的。 有源电力滤波器是由谐波检测环节、控制系统、 主电路以及耦合变压器４个主要的部分掏成。基本工 作过程为：首先通过谐波检测环节检测出系统中的谐 速、ＰＷＭ整流器和逆变器等电力电子领域。该方法 可以有效降低开关频率波动范围，提高直流电压利用 率；但是，复杂算法及大量计算导致的计算延时不可 忽略，再加上采样的固有延时，对电流控制造成了一定 影响。 波并给出需要补偿谐波的参考值，然后通过控制系统 根据该参考值产生相应的脉冲，控制主电路产生补偿 电流或者电压跟踪该参考值，起到补偿效果，有源电 力滤波器通过耦合变压器接入系统。 本文提出了一种基于电压空间矢撮的ＡＰＦ预测电 流控制新方法，该方法在ｋ采样时刻预测 ＋ｌ采样时刻 指令电流，计算ｋ＋ｌ采样Ｈ￣￣ＪｊＡＰＦ参考电压，通过电压 ３ ＡＰＦ的关键技术 ３．１谐波电流的实时检测 ＡＰＦ用来补偿电流中的谐波成分，因此需要计算 补偿电流指令值。根据计算方法谐波检测可分为频域 检测法和时域检测法。频域检测法主要包括陷波滤波 器法和ＦＦＴ法等。时域检测方法主要包括有功电流分 空间矢量脉宽调制方法得出相应控制开关信号，以达 到电流跟踪控制目的。电压空间矢量调制可以提高电 流控制精度，直流电压利用率高；预测方法的应用则 可以消除采样、计算等弓ｉ起的延时对电流控制的不利 影响。 Ｓ Ｓ Ｓ ＼ ＼ ＼ Ｉ ． －—— 离法，瞬时有功、无功功率运算法和ｆ ＿． 法等。 本文采用 ｆ。法，该方法简单，实时性高，在工 业中应用广泛。该方法基于同步旋转坐标变换，其原 理如 １所示。输入为三相负载电流ｉ 、ｉ 、ｉ ，和一相电 Ｉ ｖ ０ ◆Ｉ ， Ｖ， ＼ ＼ ＼ 压Ｐ ，输出为补偿电流指令ｉ 、ｉ 乩、ｉ ，首先ｅ 经锁 相环ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ—Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）和正余弦发生器获得 ｌ ， 图２并联型ＡＰＦ寺１西电路 与相电压基波分 同相位的正余弦信号。负载电流ｉ ｉ 、ｆ 经同步旋转坐标变换得 ｉ 到低通滤波器ＬＰＦ 检出其中的直流分鞋 经反变换得负载基波电 图２中，忽略ＡＰＦ交流侧电阻的影响，有： ｆ ＝Ｌｄｉ， ／ｄｔ＋ 流ｉ ｉ ｉ ，再与负载电流相减得到补偿谐波电流指 令值。如果需补偿负载无功电流，可将ｆ 支路ｎ￣ＬＰＦ断 开，使补偿电流指令中同时包含负载的谐波和无功电 流，最终达到无功补偿的目的。由于该方法采用了锁 相环来获取与电压基波分量同相位的正余弦信号，所 以在■桕电压畸变时也不会影响运算的准确性。 Ｉ ｖ ＝Ｌｄｉ， ＋ｅｂ Ｖｈ：Ｌｄｉ， ＋ （１） 式（１）离散化有： ｛Ｉ （ ＋１）＝Ｌ【ｉ （足＋１）一 。（ ）］ ＋ （ ） Ｉ｝１ （七＋１）＝Ｌ［ （七＋１）一 （七）】 ＋ ｆ七）（２） ｌ （足＋１）＝Ｌ【 （足＋１）一 （ ）】 ＋Ｂ（七） 其中， 为采样周期；ｉｃ＊（尼＋１）和ｖ （ ＋１）分别为在 ｋ＋ｌ采样时￣ＩＪＡＰＦ的指令电流与参考电压。 由式（２）可知为了在七采样时刻得到七＋１ ，Ｐ ， Ｓｉ ｌｌ一一＿一Ｉ一 … ～＿ｌｌ＇＾ 。 皇～毒磐毒 ＿ 譬毒枣墨 篥 耋 在提前一个采样时刻计算出ＡＰＦ参考电压ｖ （ ＋１） 后，使用电压空间矢黾调制方法就可以得到合适的 ＡＰＦ开关控制信号，从而达到电流跟踪控制目的。 ３．３系统仿真 ５７ 图１ ｉ，－ｉ 法原 ３．２补偿电流的产生 电压空间矢龄调制方法广泛应用在交流电机调 技术探讨｛ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮ ＣＨＩＮＡＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ中闽豫鬓｛曩表 ２０１０年第１期 ４结论 本文完成了ｆ 一ｆ 运算方法在谐波电流 检测中的实现，利用 ＭＡＴＬＡＢ仿真软件建 立了基于瞬时无功功 率理论的谐波电流检 测电路仿真模型，仿真 结果验证了ｆ 一 。运算 方法在谐波电流检测 中的可行性。另外，通 过仿真结果证明ｌ了ＡＰＦ 空间矢量电流预测控 制策略的正确性，该控 制策略能够具有很好 的跟踪和补偿效果，电 图３三相三线制系统仿真模型 流畸变率得到了很好 的改善。 参考文献 ｌ ＩＥＥＥ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ． 利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ搭建三相三线制系统仿真 模型如图３所示。 系统参数：线电压３８０Ｖ，系统阻抗Ｒ＝０．１ Ｑ，非线 性负载为三相不控整流桥带８ Ｑ电阻。直流侧给定电压 Ｕａｃ＝１ ２００Ｖ。 Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｓ：Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ［Ｊ】． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎ ＳａｃｔｉｏｎＳ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ 图４为补偿前后三相电流波形。可以看出，电网电 流畸变率得到很好的改善。 ＡＡ，＼ — １ｆ Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９８３，ｌ０２（８）：２４５５～２４５９． ２ ＩＥＥＥ Ｔａｓｋ Ｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ＨａｒｍｏｎｉＣ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ 厂＼ 厂＼，＼厂＼，＼ 厂＼，、 厂＼ 厂＼ 厂＼ ｆ Ｉ Ｉ１ ｌ 』’Ｉ』， Ｌｏａｄｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９８５，ｌ０４（９）：２５５５～２５６３． ｒ一 Ｔｆ』一—｝ 一Ｉｌ — —广‘ ＿ｒ１ 翠一剖 —ｌ厂 毋 ｌ＿１ 』 卜 ＿ｒ— ｆ１ 寸Ｉ — ＼ｆ． ＼ Ｉ ＼』 ｌｌ 泄 — ｌ ＿ｌＬ 一＿ｆ＝ ＿＝ＩＬｆ Ｌ √Ｖ ３张崇巍，张兴．ＰＷＭ整流器及其控Ｓ Ｊｒ［Ｍ］．北京：机械 工业出版社，２００３，１０． ４杨贵杰，孙力等．空间矢量脉宽调制方法的研究【Ｊ］．中 国电机工程学报，２００１，５． ７ ’７ ｍ ｌ Ｉｌ １＿Ｊ』一 ｝．． ５范心明，程小华．三维空间矢量脉宽调制方法的研究 ［Ｊ］．防爆电机，２００７，２． ６王晶，翁国庆．电力系统的ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿 真与应用［Ｍ］．西安电子科技大学出版社，２００８． ｌ ＿』Ｉ＿厂～一 上Ｌ 田 。ｖ ０．３ ０．３５ ＿＿０．４ 图４补偿前后三桕电流波形 作者简介：史丽萍，教授，博士研究生导师，研究方向为电能管 理、智能电器、控制电机等。
