基于SVPWM的三电平APF控制系统研究

徐鹏鹏

（河南省商丘市永城市永煤公司新桥煤矿机电科，河南 商丘476600）

0 引言

随着电力电子技术的不断发展，电力网谐波污染问题得到了广泛关注。有源电力滤波器（APF）［1］能够对频率、幅值均发生变化的谐波和无功进行动态实时补偿，弥补了传统无源电力滤波器的不足，成为电网动态补偿研究领域的一个热点［2］。在高压、大功率场合，有源电力滤波器通常采用多电平拓扑结构，它能够产生多阶梯的电压波形，大大降低了电压波形的畸变率；其开关损耗小、直流侧电压利用率高。综合考虑到上述优点以及控制的复杂性，三电平拓扑结构的有源电力滤波器有很好的应用前景［3］。

本文采用二极管箝位式三电平变换器作为有源电力滤波器主回路，研究了三电平电压空间矢量调制（SVPWM）方法，在引入平衡因子控制三电平变换器直流侧中点电位平衡方法的基础上进行了改进，提出了模糊PI自适应控制和三电平SVPWM技术相结合的控制方法。三电平拓扑的APF控制系统具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后的特点，这就决定了传统PI参数整定不能满足实时性的要求。将PI调节器与模糊控制结合在一起，能够弥补2种控制器自身的不足，使得系统在保留比例控制器快速动态响应和积分控制器稳态无静差控制的基础上，又增加了控制参数在线自整定的自适应能力。最后，实验验证了该算法的合理性与可行性。

1 三电平并联型APF数学模型

如图1所示，定义开关函数Sij（i＝a、b、c，j＝1、2、3），。在三相ABC坐标系下三电平APF的数学模型为：

式中，Z＝diag［LsLsLsCdCd］；A

X＝［iaibicVdc1Vdc2］T；B＝diag［1 1 1 0 0］；e＝［eaebec0 0］。

2 三电平空间矢量调制算法

2.1 简化的三电平空间矢量调制算法

图1 三电平有源滤波器系统结构框图

若以上、下电容中点为参考点，则三电平变流器输出的端电压共有3个状态：Udc／2，0，－Udc／2（状态值设为1，0，－1），三电平变流器电压空间矢量图如图2所示。它可以分解为6个传统的两电平矢量图，图2中，6个小六边形相互覆盖。

图2 电压空间矢量图(三电平)

简化三电平空间矢量步骤：（1）判断参考电压矢量所在大六边形区域S；（2）进行电压修正，将三电平空间矢量转换到二电平空间矢量，进行归一化运算；（3）按照两电平SVPWM算法计算各相邻主副矢量作用时间，并确定开关次序。

2.2 三电平APF直流侧中点电位平衡优化控制

以电压矢量幅值为根据，将电压矢量从大到小分成4类，即大矢量V13～V18、中矢量V7～V12、小矢量V1～V6、零矢量V0。表1列出了小矢量各种冗余状态与中点电流之间的关系［4］。

表1 各冗余状态对应的中点电流

本系统引入平衡因子f进行中点电位控制，上下直流母线的电压分别为Vdc1、Vdc2。当Vdc1＞Vdc2时，应该增加正小矢量作用的时间同时增加负小矢量作用的时间，以使上母线电压降低，下母线电压升高；当Vdc1＜Vdc2时，应该增加负小矢量作用的时间同时增加正小矢量作用的时间，以使下母线电压降低，上母线电压升高；考虑到中点电位的波动造成开关管频繁动作，造成开关损耗增加的情况，定义一个最小阈值k，当ΔV＞k或ΔV＜k时才调整［5］，其中 ΔV＝Vdc1－Vdc2。

3 谐波电流模糊PI自适应控制器设计

首先定义检测到的谐波指令电流与实际APF输出侧电流反馈的差值为误差e，误差变化率为ec。内环系统实时检测电流跟踪误差e及ec，然后根据定义好的模糊控制规则进行模糊化推理，经过解模糊得到PI控制器中的比例系数增量ΔKP及积分增量ΔKI，实现了对PI控制器参数的在线修正，以满足不同电流跟踪误差量的控制需求，使APF获得了较好的电流跟踪性能［6］。

A相电流模糊控制器原理如图3所示，模糊PI自适应控制器输出控制量为APF变换器的参考电压，也即后级电压空间矢量调制环节的给定电压参考矢量。

图3 谐波电流模糊PI自适应控制原理框图

3.1 精确量的模糊化

采用二维模糊设计一个两输入（e、ec）、两输出（ΔKP、ΔKI）的模糊控制器，将e和ec变化范围定义为模糊集上的论域。e、ec＝｛－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5｝，定义模糊子集：｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝。设e、ec以及 ΔKP、ΔKI服从三角形隶属度函数。

3.2 模糊规则的建立

PI调节器中比例控制环节的作用是使系统响应速度获得增加，改善闭环系统的控制精度；积分系数的作用是消除系统的稳态误差［6］。

根据工程技术和实际操作经验可以得出ΔKP、ΔKI模糊规则控制表，如表2、表3所示。

表2 ΔK P的模糊规则控制表

表3 ΔK I的模糊规则控制表

在ΔKP、ΔKI的模糊控制规则建好后，根据模糊子集的隶属度值及各参数模糊控制规则，解模糊后得到PI控制器的修正系数 ΔKP、ΔKI［7］。经过上述模糊推理后要对修正参数ΔKP、ΔKI去模糊化，本系统采用加权平均法求取输出的精确值 ΔKp、ΔKI，即可得出：

4 实验验证

为了验证该方案的正确性，在Matlab／Simulink中搭建基于模糊PI控制的三电平有源电力滤波器仿真系统。其中参数设置为：接入电网电压380 V，非线性负载选用三相二极管整流桥带阻感性负载，电阻16Ω，电感1 m H。三电平变换器直流侧总电压Vdc给定值为1 000 V，输出电感为1 m H，系统采样频率为10 k Hz。

图4所示为补偿前电网电流波形图，图5所示为模糊PI控制系统补偿结果，可见模糊PI控制的三电平谐波补偿控制方案取得良好的补偿效果。

图4 补偿前A相谐波电流波形

图5 采用该方案补偿后电网电流波形

图6 所示为三电平变换器直流侧上、下电容电压波形。可以看出，直流侧上、下电容电压在稳态时各为500 V，中点电位平衡控制效果良好。在仿真基础上搭建了实验平台，实验波形如图7所示。

图6 三电平变换器直流侧上、下电容电压波形

图7 实验波形

5 结语

本文提出了一种将模糊自适应PI控制器与三电平电压空间矢量调制相结合的三电平有源电力滤波器控制方案，相对常规的PI控制方法，该方案增强了系统的抗干扰能力。仿真和实验结果表明，采用模糊PI控制的三电平有源电力滤波器，获得了较好的动、静态性能，中点电位问题通过调节正、负小矢量作用时间的控制算法也得到了很好的解决。

［1］张建良，谭国俊，韩耀飞.三电平有源电力滤波器实验研究［J］.电力电子，2009（5）

［2］谭国俊，张建良，韩耀飞.基于SVPWM的并联型三电平有源电力滤波器的研究［J］.工矿自动化，2009（5）

［3］王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿［M］.北京：北京机械工业出版社，1998

［4］韦立祥，刘丛伟，林旭东，等.三电平变流器直流电压平衡控制方法［J］.清华大学学报：自然科学版，2002（9）

［5］周文生，姚钢，宋文祥.中点箝位型三电平逆变器控制方法的综合研究［J］.电气传动自动化，2008（2）

［6］刘金琨.先进PID控制及其 Matlab仿真［M］.北京：电子工业出版社，1998

［7］李琼林，刘会金，孙建军，等.基于模糊逻辑的参数自整定PI控制在有源滤波器中的应用［J］.电力自动化设备，2005（10）