基于虚拟磁链直接功率控制的APF研究

２０１１年第２１期　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　０机械与电子０　科技信息　基于虚拟磁链直接功率控制的ＡＰＦ研究　刘晓雷　（中国矿业大学信息与电气工程学院江苏徐州　２２１００８）　【摘要】有源电力滤波器的控制包括电流控制和功率控制，随着电力电子技术的发展，电流控制已经得到了充分的研究。文章采用基于虚　拟磁链的不定频直接功率控制，理论分析了基于虚拟磁链有源电力滤波器的原理，电压矢量扇区判断与开关状态选择的方法，并通过Ｍａｄａｂ／　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真验证了该有源电力滤波器的补偿性能良好。　【关键词】有源电力滤波器；直接功率控制；虚拟磁链　０引言　有源电力滤波器（ＡＰＦ）是一种动态抑制谐波和补偿无功功率的　２．１系统基本原理　电力电子装置，它能对幅值和频率都变化的谐波和变化的无功同时补　和无功功率检测得到谐波电流，该方法只需要在两相静止坐标系下，　偿，因而成为近年来众多学者广泛研究的热点㈦。关于有源电力滤波　计算出负载侧电流的瞬时有功功率和瞬时无功功率，从另一角度看负　器的控制问题主要分为电流控制和功率控制。电流控制包括直接电流　载侧功率包含基波和谐波功率，因此通过低通滤波器即可后得到谐波　控制和间接电流控制，是目前应用比较广泛的方法，该方法通常先通　的有功功率　和无功功率Ｑ　与传统的电流控制系统相比，该方法　过谐波检测环节计算出参考指令电流，然后控制ＡＰＦ系统产生与指　避免了将功率转化为电流时所用到的复杂坐标变换，简化了系统的运　令电流大小相等，方向相反的补偿电流注入电网，以达到消除负载侧　算［３１。　谐波和无功的目的。　虚拟磁链直接功率控制有源滤波系统框图如图１所示，控制电路　直接功率控制策略从控制角度分为两种：基于电压定向控制的　分为直流侧电压外环控制和功率内环结构．电压外环保证直流侧电压　ＤＰＣ控制和基于虚拟磁链定的ＤＰＣ控制；从功率环开关信号产生的　稳定在给定值，内环快速跟踪给定功率。负载侧计算出的瞬时有功功　控制方式上分为不定频直接功率控制与定频直接功率控制。若是采用　率　与ＡＰＦ直流侧的有功功率Ｐ２之和作为有功功率给定，跟电源侧　开关表及滞环控制来产生开关信号，则属于不定频直接功率控制，若　的有功功率反馈值做比较，经过滞环比较器，输出开关信号为有功功　是采用ＳＶＰＷＭ模块来代表开关表及滞环控制来产生开关信号．则属　率的开关信号，实际的无功功率与给定的无功功率ｑ　，比较（一般将　于定频直接功率控制。　ｑ　设定为Ｏ）经过滞环比较后，输出开关信号作为无功功率的开关信　文章根据虚拟磁链直接功率控制策略原理，通过瞬时无功功率理　号。通过虚拟磁链定向判断出电压矢量所在扇区，并根据有功开关信　论计算无功功率和有功功率，采用基于虚拟磁链定向的不定频直接功　号　，无功开关信号Ｊｓ　及扇区判断结果，在开关表中选择所需的Ｓ。，　率控制系统，理论分析电压矢量扇区判断与开关状态选择的方法．并　Ｓ　，Ｓ　去驱动主电路。　搭建Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真平台，验证基于该方法的ＡＰＦ系统补偿特　性优良　虚拟磁链直接功率控制ＡＰＦ系统采用虚拟磁链定向方法，谐波　电流检测部分采用瞬时无功功率理论。通过对指令电流瞬时有功功率　１　有源滤波器直接功率控制原理　直接功率控制的原理是在瞬时无功功率理论上建立的，文献［１］详　细介绍了瞬时无功功率理论。根据瞬时无功功率理论可以计算瞬时有　功功率和无功功率。假设在由坐标系下电网电压分别为ｅ　ｅ　，ＡＰＦ交　流侧输入电流分别为ｉ￣ｊ，ｉ　。。电网电压空间矢量和ＡＰＦ交流侧输入电　流空间矢量用复数表示为：　Ｅ＝ｅ　ｅ　（１）　，＝　‘　（２）　ＡＰＦ交流侧的复功率为输入电压矢量与电流矢量共轭的乘积。　一＝　ｓ＝ｐ＋ｊｑ＝Ｅ。，＝÷（ｅ　）（　）　（３）　可以得到ＡＰＦ的有功功率和无功功率：　ＪＰ：睾（ｅａｉ，．ｅ＋ｅ　）　１　（４）　图１　虚拟磁链直接功率控制有源滤波系统　【ｑ＝　一（ｅ　。ｄ＋ｅ　ｑ）　假设电网电压矢量和同步旋转坐标系的ｄ轴重合，此时ｅｑ＝０；Ｊ￣－　ｄ轴初始位置和　轴重合。设电压矢量和ｄ轴的夹角为‘ｐ，则　３　＝＿＾ｅ　＝吐ｃ。ｓ‘Ｐ　吐ｓｉｎ‘Ｐ　２．２功率计算　虚拟磁链直接功率ＡＰＦ中，瞬时功率计算是在稳态时０　坐标系　　（５）　下完成的，变流器与电网交换的有功功率和无功功率都是一个定值，因此在不同坐标系下，瞬时有功和无功功率都可以看做直流量来控　　二｛【　ｅ　电网电压矢量在ｄ轴投影为一常数，通过上式可以看出，　正比　制。虚拟磁链直接功率控制系统中，负载侧瞬时功率的估算由对于磁　　于有功功率Ｐ，因此控制　就能够控制Ｐ，且ｉ　增加时Ｐ增加；ｉ　。正比　链的观测完成。负载侧的功率在复平面下可以表示为：Ｐ＝Ｒｅ（ｕ￣・以）　（６）　于无功功率ｇ，控制　就能够控制无功功率ｑ，且　增加时ｑ减少，由　ｐ＝Ｉｍ（　・　）　（７）　此来选择开关状态＆，Ｓ　，　。由于ｉ　正比于有源滤波器交流侧电压　是ｉ　的共轭复数。线电压可用虚拟磁链表示为：　所以可以通过控制　、　来控制有功和无功功率，从而也就可以　间接地来控制电流。　删　（８）　。，＝　＝　２虚拟磁链直接功率ＡＰＦ系统　式中，　为磁链的空间矢量，帆是其幅值。　１００　科技信息　０机械与电子Ｏ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２０１１年第２１期　因此得到Ｒ，仇在　坐标系下的计算公式为：　此矢量的作用下，系统的吸收的无功将减少，反之，则增加。垂直方向　｛　如＋　（　Ｑ　ｌ－　Ｌ￣／ｚ＋　（　＝）｝　）｝　（９）　３（１０）　（１１）　上的投影长度越长，无功减少（增加）的速度就越快。　仿真验证　本文通过Ｍａｔ］ａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ搭建仿真模型对基于虚拟磁链直接功　当三相电压平衡时，磁链幅值的微分项等于零，则瞬时有功功率　和无功功率可以表示为：　ＰＬ＝ｔＯ・（　‘　ｈ）　率控制的ＡＰＦ进行仿真验证。系统参数为：三相电压２２０Ｖ／５０Ｈｚ：非　线性负载为三相不可控整流桥带纯阻性负载．Ｒ＝８ｎ；直流侧母线电压　Ｕ￣＝１０００Ｖ，电容Ｃ＝３３０ｑｔｔＦ；交流侧进线电感Ｌ＝４ｍＨ。图２为补偿后系　统三相电流的波形。从图中可以看出，补偿后三相电流正弦度良好，谐　波含量较少，达到了期望的要求。　Ｑ　＝ｔＯ・（　）　（１２）　２－３扇区判断与开关状态选择　基于虚拟磁链直接功率控制的ＡＰＦ系统首先需要判断电压空间　矢量所在的扇区，针对两电平变流器，开关函数各有８种状态，包括６　个非零矢量和２个零矢量。根据虚拟磁链定向可以得到电网电压矢量　的角度０，将电压空间矢量划分为１２个扇区。　由式（１３）确定。例如当　＝一３０。～０。，说明电压空间矢量Ｕ在０。扇区内。其它扇区可同理划分。　（ｎ－２）　≤　≤（ｎ－１）　ｎ＝ｌ，２，…，１２　（１３）　根据滞环比较器输出反映估算功率偏离给定功率的开关信号ｓ　，　和电网电压角度　，从开关表中选择所需的Ｓ。，　，　去驱动主电路。　图２补偿后三相电流波形　开关表是基于滞环控制器的直接功率控制系统的核心，开关表的好坏　直接影响到控制系统的控制效果Ｈ。通过分析每个扇区中各开关矢量　４对有功功率和无功功率的作用，可以得到开关状态与电网电压矢量的　角度０的关系如表１所示。　表１　直接功率控制开关表　结论　文章设计了虚拟磁链直接功率控制有源滤波系统，利用虚拟磁链　进行坐标定向和有功无功估算，避免了电网　电压畸变的影响，功率控制系统变量无需变　换到旋转坐标系下．采用逻辑开关表同时对　瞬时有功功率和无功功率进行调节．提高了　功率因数．避免了ＰＷＭ调制模块的复杂运　　ｉＳＰ　ｌ　Ｓ　０　０ｌ　０ｏｌ　如　１０１　０３　ｌＯｌ　吼　１ｏ０　１ｏ０　Ｉ１Ｏ　１１０　０１０　岛　０ｌＯ　０ｌ０　０ｌ１　０ｌｌ　Ｏ１１　０ｌ２　ｏ０ｌ　１　ｌ　儿０　０１Ｏ　０１０　Ｏｌ１　０ｌ１　ｏ０１　００ｌ　１Ｏ１　ｌ０１　ｌ０ｏ　１ｏｏ　１１０　算，结构简单。ｅ　【参考文献】　［１］王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿　［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３．　［２］ＥＩ—Ｈａｂｒｏｕｋ　Ｍ，Ｄａｒｗｉｓｈ　Ｍ　Ｋ，Ｍｅｈｔａ　Ｐ．Ａｃｔｉｖｅ　Ｏ　Ｏ　１　ｌＯｌ　１ｏｏ　１０ｏ　ｌｌＯ　ｌｏ０　ｌ１０　１ｌ０　０１０　１１０　０１０　０１Ｏ　０ｌ１　ＯｌＯ　０１１　Ｏ１１　ｏ０１　０１ｌ　０ｏ１　ｏｏ１　ｌ０１　ｏ０１　１０１　１０１　１００　０　根据基尔霍夫电压定律可知，电流电压关系满足　，｜警＝　，＿ｓ　（１４）　国电机工程学报，２００７，２７（２５）：７８—８３．　ｐｏｗｅｒ　ｉｆｌｔｅｒｓ［Ｊ］．１ＥＥ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ－Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０００，１４７（５）：４０３—４１３．　［３］Ｈａｄｉａｎ　ＡｍｒｅｉＳ　Ｒ，徐殿国，郎永强．一种ＰＷＭ整流器直接功率控制方法『Ｊ］．中　忽略电阻影响，根据　Ｓ　在ｄ轴的投影的长度和方向就决定　［４］黄崇鑫，王奔，钱碧甫，等．基于直接功率控制的并联有源滤波器叨．电测与仪　０５）：３２—３５．　系统有功功率的增量大小和方向，即△ｐ＝　・△ｉ（水平）（△ｉ为电流增　表．２００９（量在水平方向上的投影），若水平方向上的投影为正值，表示在此矢量　的作用下，系统吸收的有功增加，反之，则减少。水平方向上的投影长　子在电力系统中的应用。　度越长，有功增加（减少）的速度就越快。　Ｓ　在ｑ轴投影的长度和　作者简介：５，１晓雷（１９８７一），男，在读硕士研究生，主要研究方向为电力电　方向决定系统无功功率的增量大小和方向，即Ａｑ＝ｕ・△　（垂直）（△ｉ　为电流增量在垂直方向上的投影），垂直方向上的投影为正时，表示在　［责任编辑：常鹏飞］　（上接第５２页）法：①逐步加大进气量，提高压力，使进气量远大于泄　漏量，但最大不得超过３．５ＭＰａ；②利用爆破吹扫法提高球两面瞬间压　力差，使球冲过“难点”；③再放进去一个球，两球一起运行可减小因球　划伤、破损造成泄漏的百分率。　（３）当上述几种办法都不能解决问题，说明球在管道中卡死了，只　能采取切开管道的办法取球。切割前要对卡球处进行定位，定位方法　般有以下几种：①利用电子跟踪仪确定球的位置；②根据进气量和　一清管球出管后，应检查其磨损情况，确定其是否可以投入下一段通球；　各操作人员应坚守工作岗位，不能脱岗、串岗；应配备足够人员进行换　班操作，避免因通球意外延长而造成人员疲劳操作。　９制定环境保护措施　通球的环境影响主要是污水、污泥。在各清管段首、末端应用单斗　开挖排污池（４ｍｘ４ｍｘ２ｍ），即１０个排污池。考虑到管道末端有较长管　压力表的变化记录．粗略估算球的位置。　沟未回填，且排出的污泥不会返回到管道内，便使用管沟代替排污池。　找准球的位置后，对管线进行切割处理，取出球后分析卡球原因，　清管排出的污物排入排污池，不得任意排放或推向下一清管段。泥水　并作记录。然后管线重新连头，经无损检测合格并进行补口补伤后进　沉淀并检测符合要求后，可利用潜水泵、排水沟将水排人附近河沟内。　行二次通球。　总之通球方案的编制视各工程具体情况而有所不同，本文所述是　长距离输送管道在多弯管条件下的通球方案。方案要点是管道分段长　度设计要合理，清管器的过盈量及曲率半径的选择要与管道本身相适　通球前，应对所有参与人员进行技术交底，明确岗位工作职责；对　应，对卡球要有充分的预防及处理措施，为工程竣工投产做好充分保　所用的设备、阀门、压力表等要进行检查，确保完好并在其有效期内使　障。　用；在发球区和收球区及蓄水池５０ｍ范围内设安全防护带，禁止非施　工人员进入；积水、积泥坑应避开清管器出口正对方向；发球筒、收球　［责任编辑：曹明明】　筒与主管线连接应采用与主管线相同的焊接工艺和要求，确保质量：　８编制安全保障措施　１０１