專利名稱：：一種任意電網(wǎng)電壓下有源電力濾波器補(bǔ)償電流控制模型和方法一種任意電網(wǎng)電壓下有源電力濾波器補(bǔ)償電流控制模型和方法本發(fā)明的目的在于提供一種在非理想電壓條件下并聯(lián)電壓5型有源電力濾波器補(bǔ)償電流的數(shù)字化控制策略。該策略控制精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，降低了有源電力濾波器數(shù)字化控制中計(jì)算延遲和預(yù)測(cè)誤差的影響。在畸變不對(duì)稱的電壓條件下，補(bǔ)償電流仍然能夠準(zhǔn)確跟蹤指令電流的變化，穩(wěn)態(tài)精度高，并適用于負(fù)載發(fā)生突變的環(huán)境。本發(fā)明的特征在于結(jié)合了無差拍控制的實(shí)時(shí)性和空間電壓矢量的精確性，將無差拍指令電壓預(yù)測(cè)值作為空間電壓矢量PWM的輸入進(jìn)行PWM調(diào)制，并利用補(bǔ)償電流來校正指令電壓的預(yù)測(cè)值，提高了系統(tǒng)的預(yù)測(cè)精度，利用簡(jiǎn)單規(guī)則簡(jiǎn)化空間電壓矢量的定位過程和優(yōu)化固定開關(guān)矢量的作用時(shí)序，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。該控制方法包括以下步驟(1)建立有源電力濾波器的電路模型并得出三相回路方程。根據(jù)檢測(cè)到的指令電流《.,J、"Ac，通過回路方程得出有源電力濾波器的理論輸出電壓":。表達(dá)式。其中表示三相電源電壓。(2)對(duì)理論輸出電壓表達(dá)式進(jìn)行離散化，設(shè)當(dāng)前時(shí)刻為A時(shí)刻，根據(jù)離散化的電壓表達(dá)式得出A+1時(shí)刻的電壓表達(dá)式。(3)以W寸刻檢測(cè)到的指令電流和實(shí)際輸出補(bǔ)償電流之間的靜態(tài)偏差為依據(jù)，得到有源電力濾波器輸出電壓的校正因子氣。("，對(duì)hl時(shí)刻的電壓表達(dá)式進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償電流的閉環(huán)控制。將校正后電壓表達(dá)式中A+1時(shí)刻的參考電壓和電流變量進(jìn)行一階拉格朗日插值，得到的修正輸出電壓，將其作為有源電力濾波器當(dāng)前控制周期的三相指令電壓《(A+1)。";+1)=2-.(A:-1)+7⑨—("1)一2。(A)+,'》(A:-1)+^(4)對(duì)三相指令電壓《OUl)進(jìn)行空間矢量調(diào)帝lj，包括矢量定位和開關(guān)時(shí)刻的計(jì)算兩個(gè)過程。在矢量定位過程中，省略了傳統(tǒng)的空間矢(fc+1)=由&+1)-(/t+1)量調(diào)制算法中復(fù)雜的坐標(biāo)變換和反三角變換。引入畸變不對(duì)稱的電壓因子，采用伏秒等效原理計(jì)算出開關(guān)器件在當(dāng)前控制周期內(nèi)相對(duì)的開通和關(guān)斷時(shí)刻。依據(jù)在一個(gè)控制周期內(nèi)的每組開關(guān)器件只開關(guān)一次的原則對(duì)固定開關(guān)矢量作用時(shí)序進(jìn)行優(yōu)化，最終得到控制有源電力濾波器的PWM波形。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)在空間矢量調(diào)制過程中引入了閉環(huán)預(yù)測(cè)控制，消除了計(jì)算延遲誤差，避免了各控制周期內(nèi)補(bǔ)償電流與指令電流靜態(tài)偏差的累積，提高了控制精度，負(fù)載穩(wěn)定后補(bǔ)償電流與指令電流的歸一化互相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.988，補(bǔ)償后的電源電流與檢測(cè)到的基波正序有功電流的歸一化互相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999。(2)簡(jiǎn)化了空間電壓矢量的定位運(yùn)算，減小了計(jì)算量和預(yù)測(cè)周期。(3)對(duì)固定開關(guān)矢量的作用時(shí)序進(jìn)行優(yōu)化，有效降低了開關(guān)器件的工作頻率。(4)在計(jì)算開關(guān)矢量作用時(shí)間時(shí)考慮了畸變不對(duì)稱的電壓因素，使得該控制系統(tǒng)能夠用于非理想的電壓環(huán)境，具有較強(qiáng)的適用性。(5)在負(fù)載發(fā)生突變情況下，經(jīng)過一個(gè)工頻周期后，補(bǔ)償電流仍然能夠準(zhǔn)確的跟蹤指令電流的變化，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。(6)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)。圖1為并聯(lián)電壓型三相三線制有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；圖2為本發(fā)明自校正無差拍預(yù)測(cè)控制模型圖；圖3為各扇區(qū)線電壓極性分布圖；圖4為開關(guān)矢量作用時(shí)序圖。[具體實(shí)施方式1)基于自校正的指令電壓預(yù)測(cè)模型圖1中，為非理想的三相電源電壓，/^和^分別為三相電源和負(fù)載電流，^為有源電力濾波器輸出補(bǔ)償電流，",。為有源電力濾波器的輸出電壓；丄為APF的等效電感，t^為直流側(cè)電容電壓，S,&代表可關(guān)斷器件。由圖l可以寫出回路方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>設(shè)《為補(bǔ)償電流的指令值，《為有源電力濾波器輸出電壓的理想值，由(l)式可得r《設(shè)控制周期為;，對(duì)(2)式離散化可得";。w=*[《("一《(卜i)]+由(3)式可得下一個(gè)控制周期開始時(shí)刻的理想輸出電壓為:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式中，《。(yt+l)和《("l)分別為下一個(gè)周期的理想輸出電壓和指令電流。根據(jù)(4)式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償電流開環(huán)控制，但無法消除指令電流與實(shí)際輸出補(bǔ)償電流之間的靜態(tài)偏差。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償電流/。的閉環(huán)控制，需要對(duì)《("l)進(jìn)行修正，設(shè)^時(shí)刻指令電流與實(shí)際輸出補(bǔ)償電流之間差值為A^("，將式(2)和(1)相減并離散化后可得修正量A^。W為、。0)=會(huì)("=會(huì)[''(5)修正":。("i)得到o+i)O+1)=w;。(A+1)++1)=M#+1)+7+1)-(6)由于;CA:)、("，《.(6+l),+lH》("l)，代入(6)式可得《("1)=+1)+*[';+1)-。(A:+1)-/々⑨+/9("](7)式中，《(&+1)為*+1時(shí)刻的指令電流，！;("和~(*+1)分別表示*時(shí)刻和*+1時(shí)刻的負(fù)載電流，。+1)表示*+1時(shí)刻負(fù)載電流中的基波正序有功電流分量。將(7)式中的(fe+l)^("l)，。("l)進(jìn)行一階拉格朗日外推插值并化簡(jiǎn)可得";("i)=2w—("i)+*w-!),("i)-2。w+!;(")+⑨](8)以0+l)作為指令電壓矢量即可實(shí)現(xiàn)對(duì)APF閉環(huán)無差拍控制。2)電壓矢量的扇區(qū)定位方法定義開關(guān)量、(/=",6,。為逆變電路的三相開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)橋臂上管導(dǎo)通時(shí)、為1，下管導(dǎo)通時(shí)、為0。開關(guān)組合矢量(H"的8種開關(guān)狀態(tài)分別用r。^表示，包括兩個(gè)零矢量r。、「7和6個(gè)非零開關(guān)矢量。這些非零開關(guān)矢量構(gòu)成了六邊形的三條對(duì)角線，分別對(duì)應(yīng)&=0,^=0,^=0三種狀態(tài)。例如，三相開關(guān)矢量(1,0,0)和(0,1,1)對(duì)應(yīng)^=0狀態(tài)，以該矢量為分界線，上下兩邊分別對(duì)應(yīng)^>0狀態(tài)和^<0狀態(tài)，因此可以定性的得出各個(gè)扇區(qū)內(nèi)三個(gè)線電壓的極性，如圖3所示。根據(jù)式(8)求得的指令電壓《(A+1)，求出線電壓《("1)，0+1)，0+1)并判斷其極性，即可根據(jù)圖3確定指令電壓所在扇區(qū)。3)開關(guān)矢量作用時(shí)序優(yōu)化及功率器件開關(guān)時(shí)刻的確定根據(jù)對(duì)開關(guān)量、的假設(shè)，由圖l可得""tfc(9)式中，表示逆變器交流側(cè)相對(duì)于圖1中"點(diǎn)的輸出電壓。由于三相電源電壓不對(duì)稱且存在幅值畸變，則滿足"sa+"S6+"sC(,)(10)z=0(11)式中，m。(/)表示電源電壓基波和各次諧波零序分量之和，代表了畸變和不對(duì)稱的合成因素。代入(l)式可得聯(lián)立(9)式和(12)式可得。+&+、)+附0(0(13)將(13)式代入(9)式可得:"a。=i(—、+-&)+w。(0(14)根據(jù)特定時(shí)刻的三相開關(guān)矢量(H&)，由(14)式即可求出APF對(duì)應(yīng)的輸出電壓。采用上述方法確定指令電壓矢量所在的扇區(qū)之后，基于伏秒平衡的原則，利用指令電壓矢量所在三角形區(qū)域內(nèi)兩相鄰的非零矢量和兩個(gè)零矢量對(duì)其合成。例如，當(dāng)指令電壓矢量位于第一扇區(qū)時(shí)，相鄰的兩個(gè)非零矢量和零矢量分別為^K和r。,K，其余5個(gè)扇區(qū)確定方法類似。由(14)式可得出對(duì)應(yīng)開關(guān)矢量下APF的三相輸出電壓，設(shè)在一個(gè)控制周期i;內(nèi)兩個(gè)非零矢量K和K的作用時(shí)間分別為;和72，兩個(gè)零矢量總的作用時(shí)間為r。，由伏秒等效原理可得+附。,+[會(huì)"*+附。艦=":。("i)rc7;+[—》a+附0(左)]&，'。("i);(15)3由(15)式可解得:3^=《("1)-《("l)r2一比'進(jìn)而得出:(16)(17)當(dāng)出現(xiàn)過調(diào)制時(shí)，r1+r2>7;，為防止逆變交流輸出發(fā)生畸變，使系統(tǒng)處于線性調(diào)制狀態(tài)，則取—「(18)r，=7;+r2依據(jù)在一個(gè)控制周期內(nèi)的每組開關(guān)器件只開關(guān)一次的原則，在每個(gè)控制周期內(nèi)加入零矢量K和K，各自總的作用時(shí)間為,，分別位于兩非零矢量的兩邊和中間，并對(duì)一個(gè)控制周期內(nèi)各扇區(qū)作用矢量的時(shí)序進(jìn)行優(yōu)化，如表1所示表l開關(guān)矢量作用時(shí)序優(yōu)化扇區(qū)開關(guān)矢量作用時(shí)序<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>按照以上原則，當(dāng)指令電壓矢量位于第一扇區(qū)時(shí)，可得出在一個(gè)控制周期內(nèi)開關(guān)矢量的作用時(shí)序，如圖4?；谝陨蟽?yōu)化可得出一個(gè)控制周期內(nèi)三相逆變橋開關(guān)器件的開通和關(guān)斷時(shí)刻。相對(duì)于控制周期的起始時(shí)刻，三相逆變橋上橋臂開關(guān)器件的開關(guān)時(shí)刻如表2所示。_表2逆變橋開關(guān)時(shí)刻表_a相b禾目c禾目開通時(shí)刻關(guān)斷時(shí)亥U_z;-7;/4_7;-(7;/4+7;/2)rc-(;/4+7;/2+r2/2)同理，當(dāng)指令電壓矢量位于其它扇區(qū)時(shí)，按照以上步驟亦可求出對(duì)應(yīng)的開關(guān)時(shí)刻。通過對(duì)開關(guān)器件的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制,APF將使其輸出補(bǔ)償電流^實(shí)時(shí)跟蹤指令電流《.("1)。該方法在電網(wǎng)電壓發(fā)生不對(duì)稱且畸變條件下，諧波總畸變達(dá)到10.4%以上時(shí)，負(fù)載穩(wěn)定后補(bǔ)償電流與指令電流的歸一化互相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.988，補(bǔ)償后的電源電流與檢測(cè)到的基波正序有功電流的歸一化互相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999，達(dá)到了精確控制的目的。權(quán)利要求1.一種任意電網(wǎng)電壓下的有源電力濾波器電流控制模型，其特征在于將無差拍指令電壓預(yù)測(cè)值作為空間電壓矢量PWM的輸入進(jìn)行PWM調(diào)制，并利用補(bǔ)償電流來校正指令電壓的預(yù)測(cè)值。2.—種根據(jù)權(quán)利要求1所述的任意電網(wǎng)電壓下的有源電力濾波器電流控制模型的控制方法，先建立有源電力濾波器的電路模型并得出三相回路方程，根據(jù)檢測(cè)到的指令電流《"、"，6，e，通過回路方程得出有源電力濾波器的理論輸出電壓"；表達(dá)式其中~表示三相電源電壓，對(duì)理論輸出電壓表達(dá)式進(jìn)行離散化，當(dāng)前時(shí)刻為^時(shí)刻，根據(jù)離散化的電壓表達(dá)式得出*+1時(shí)刻的電壓表達(dá)式";。("i)=會(huì)[c("d-《("]+"w+d其特征在于還包括以下步驟1)推導(dǎo)出基于拉格朗日外推插值的有源電力濾波器輸出電壓的預(yù)測(cè)模型，^和^分別為三相電源和負(fù)載電流，、為有源電力濾波器輸出補(bǔ)償電流，。("為k時(shí)刻的指令電流，/丄為APF的等效電感，"^為直流側(cè)電容電壓,下一時(shí)刻的逆變器的輸出電壓的基于自校正無差拍預(yù)測(cè)模型為《("i),w—("i)+余[，—，1)—2z;w+!;(")h/"](i)式中，&為時(shí)亥!]且&=1,2,...;2)電壓矢量扇區(qū)定位方法和時(shí)序優(yōu)化，定義開關(guān)量、,;=。，^為逆變器的三相開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)橋臂上管導(dǎo)通時(shí)、為i，下管導(dǎo)通時(shí)、為o，開關(guān)組合矢量(hw的8種開關(guān)狀態(tài)分別用^「7表示，包括兩個(gè)零矢量7。和^，其余的6個(gè)非零開關(guān)矢量構(gòu)成了六邊形的三條對(duì)角線，分別對(duì)應(yīng)""=G，"&=G^。=()三種狀態(tài)；根據(jù)對(duì)開關(guān)量、的假設(shè)，得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，W0(,)=|("oo+"A。+0由(2)式可得出對(duì)應(yīng)開關(guān)矢量下APF的三相輸出電壓，設(shè)在一個(gè)控制周期^內(nèi)兩個(gè)非零矢量^和^的作用時(shí)間分別為^和^，兩個(gè)零矢量總的作用時(shí)間為^，由伏秒等效原理可得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>(3)進(jìn)而得出t。=t;-7;-:r2(4)當(dāng)出現(xiàn)過調(diào)制時(shí)，A+:r2>7^為防止逆變交流輸出發(fā)生畸變，使系統(tǒng)處于線性調(diào)制狀態(tài)，取<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>(5)依據(jù)在一個(gè)控制周期內(nèi)的每組開關(guān)器件只開關(guān)一次的原則，在每個(gè)控制周期內(nèi)加入零矢量^和^，各自總的作用時(shí)間為f，分別位于兩非零矢量的兩邊和中間，并對(duì)一個(gè)控制周期內(nèi)各扇區(qū)作用矢量的時(shí)序進(jìn)行優(yōu)化，扇區(qū)I開關(guān)矢量作用時(shí)序?yàn)閙m「。扇區(qū)II開關(guān)矢量作用時(shí)序?yàn)閚nn「。，扇區(qū)in開關(guān)矢量作用時(shí)序?yàn)閚nn「。，扇區(qū)IV開關(guān)矢量作用時(shí)序?yàn)镠G-W「。，扇區(qū)V開關(guān)矢量作用時(shí)序?yàn)镠K6-m、扇區(qū)VI開關(guān)矢量作用時(shí)序?yàn)镠HHK。；在第一扇區(qū)，基于以上優(yōu)化可得出一個(gè)控制周期內(nèi)三相逆變橋開關(guān)器件的開通和關(guān)斷時(shí)刻，相對(duì)于控制周期的起始時(shí)刻，三相逆變橋上橋臂開關(guān)器件a相、b相、C相的開通時(shí)刻分別為7^4、V"V2、V4+V2+V2,關(guān)斷時(shí)刻分別為C-V4、t;—(V4+V2)、(V4+V2+:r2/2);同理，當(dāng)指令電壓矢量位于其它扇區(qū)時(shí)，求出對(duì)應(yīng)的開關(guān)時(shí)刻，通過對(duì)開關(guān)器件的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制APF將使其輸出電流/。實(shí)時(shí)跟蹤指令電流《"+1)。全文摘要一種任意電網(wǎng)電壓下有源電力濾波器補(bǔ)償電流控制方法，本發(fā)明在電網(wǎng)電壓畸變和不對(duì)稱條件下，利用外推拉格朗日插值推導(dǎo)出無差拍指令電壓預(yù)測(cè)模型，并利用檢測(cè)的補(bǔ)償電流對(duì)指令電壓預(yù)測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出補(bǔ)償電流的閉環(huán)無差拍控制；在對(duì)指令電壓進(jìn)行空間矢量調(diào)制過程中簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的矢量定位方法，用簡(jiǎn)單規(guī)則優(yōu)化開關(guān)矢量的作用時(shí)序，降低了計(jì)算量和開關(guān)器件的工作頻率，提高了控制精度。在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱且存在畸變條件下，本發(fā)明能有效跟蹤指令電流的變化，諧波總畸變達(dá)到10.4％以上時(shí)負(fù)載穩(wěn)定后補(bǔ)償電流與指令電流的歸一化互相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.988，補(bǔ)償后的電源電流與檢測(cè)到的基波正序有功電流的歸一化互相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999。文檔編號(hào)H02J3/12GK101478161SQ20091004257公開日2009年7月8日申請(qǐng)日期2009年1月21日優(yōu)先權(quán)日2009年1月21日發(fā)明者何多昌,孫克輝,桂衛(wèi)華,胡志坤,胡錳洋,陽春華申請(qǐng)人:中南大學(xué)