基于简单空间矢量下单周控制三相航空有源电力滤.doc

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1、精品论文大集合基于简单空间矢量下单周控制三相航空有源电力滤波器稳定性和动态特性研究 1王永，关淼 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京 (100191) E-mail：wangyong摘要：分析了简单空间矢量下单周控制三相航空有源电力滤波器的原理，建立了三相航空 有源滤波器的数学模型。推导了简单空间矢量下单周控制三相航空有源电力滤波器稳定性条 件，分析大信号扰动下瞬变跟踪特性，并提出了改善方法。应用 Saber 软件在原理分析的基 础上进行了建模和仿真，并进行了 6kVA 三相航空有源电力滤波器的试验验证。仿真和试验 结果证明了理论分析的正确性。 关键词：航空有源电力滤波器；简单空间

2、矢量；单周控制；动态特性中图分类号：TM4611引言随着电力电子技术的发展，飞机上电力电子装置构成的非线性日益增多。这些非线性电 力电子设备产生大量的谐波和无功电流，导致电网输出功率因数、电能利用率降低，对电网 造成了严重的污染，除此之外还会对其它的用电设备造成损害1 。采用有源电力滤波器（APF）可以有效的消除谐波和无功电流，从而提高电网的功率因数。目前，国内外学者在 工业用APF开展了大量的研究，但对于航空用APF研究还很少。在关于三相APF控制方式的 文献中最常用的是电流滞环控制1-4和d-q变换控制方式5，以及传统空间矢量控制方式4用 于控制三相六开关拓扑电路。电流滞环控制常常会产生可

3、变的开关频率，使滤波器设计变得 困难。d-q变换控制方式和传统空间矢量控制需要高速的微处理器和高性能的A/D转换器，增 加了系统的成本和复杂性，降低了可靠性。单周控制是一种非线性控制，其控制思想是：在一个开关周期内，通过控制开关占空比 使开关变量平均值等于或比例与参考信号，它能够在一个开关周期内消除稳态和动态误差， 具有快速性好、精确度高、控制简单的特点6-10。本文对简单空间矢量下单周控制技术稳定 性条件和大信号扰动下动态性能性能进行研究，为设计基于简单空间矢量下三相航空APF 提供理论参。2简单空间矢量下单周控制的APF图 1 为三相 APF 主拓扑结构。三相交流母线相电压电压波形（ua、

4、ub 和 uc）如图 2 所 示，三相相电压根据过零点被划分为六个区间11-12。-7-三相非线性 负载V ub uc ua ubiaLu a iau b ibOuc icibL icLS apLa ica ALb icbLc iccSbpBPS cptECS anS bnS cnN 图 1 三相三桥臂 APF 主拓扑结构Fig1 The main circuit of three-phase four-leg APF图 2 三相电压和区间划分Fig2 Three-phase voltage waveforms and the regions1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号

5、：20070006046）的资助。2.1 简单空间矢量控制占空比数学模型假设电压源逆变器工作在电感电流连续模式状态下；每一桥臂开关管的驱动信号互补工作，例如，A 相的开关 San，Sap 各自的占空比为 d an 和 d ap= 1 d an ；三相系统对称；开关频率远远大于母线频率。根据文献12可得到每个区间内所选用的空间矢量和简单空间矢 量控制整流与逆变状态下的统一占空比计算公式，如表 1 所示。表 1 电压空间矢量选择和相应区间占空比计算公式Tab.1 Constituents of the walnut shell and other plantsanEap Ed bn区间矢量占空比区

6、间矢量占空比V0V4V61 d= 2 u a + u b1 d= u a + 2 u bbnE1 d cn = 0V7V6V21 d= 2 u a + u c1 d bp = 01 d= 2 u c + u acp EV0V2V31 d an = 01 = 2 u b + u c1 d= 2 u c + u bV7V3V11 d = 2 u a + u bap E1 d = u a + 2 u bbp E1 d cp = 0V0V1V51 = 2u a + u c1 d= 01 d= 2u c + u aV7V5V41 d ap = 01 d= 2 u b + u c bpE1 d= 2 u

7、c + u bEcnEd anEbncnEcp E2.2 简单空间矢量下单周控制的实现当电网的功率因数为 1 时，每一相的相电压和相电流同相。因此，有源滤波器与非线性 负载的并联等效阻抗为纯阻性。对于三相 APF，若要实现单位功率因数，则其控制目标应 满足：ui = Re ii （ i = a, b, c ）（1）式中 Re 为能够反映负载有功功率的等效阻抗。设V = R E ，其中 R 是电流传感器的电阻，由表 1 和式（1）可得实现单周控制的smRe数学模型：s1 d p 2 1 ip Vm = Rs （2）1 dn 1 2 in dt = 1d p ，dn 和 dt 分别表示同一区间各开

8、关的占空比；ip ，in 分别表示同一区间交流电源输出的相电流； Qn ， Qn ， Qp ， Qp ，ON 和 OFF 分别表示同一区间开关的驱动信号。 d p ，dn ， dt 在各区间所表示的对应开关的占空比， ip ， in 在各区间所表示的交流电源输出的相电流和 Qn ， Qn ， Qp ， Qp ，ON，OFF 对应各区间开关的驱动信号如表 2 所示。表 2 变换器的控制规律Tab.2 Constituents of the walnut shell and other plants区间ipindpdndtSapSanSbpSbnScpScnibiadbndandcnQnQnQ p

9、QpOFFON ic iadcpdapdbpQnQnONOFFQpQpicibdcndbndanOFFONQnQnQpQp ia ibdapdbpdcpQpQpQnQnONOFFiaicdandcndbnQpQpOFFONQnQn ib icdbpdcpdapONOFFQpQpQnQn图 3 为实现三相 APF 的单周控制器结构图。主要由电压空间矢量区间划分电路、电流 选择电路、驱动选择电路、单周控制电路和 PI 调节电路组成。电压空间矢量区间划分电路 将 3 相电压按照图 2 的方式划分为六个区间并生成区间选择信号，作为电流选择电路和区间 选择电路的选择信号；电流选择电路根据区间选择信号选择

10、相对应的相电流从而得到 Ip 和 In,相电流与 Ip 和 In 在各区间的对应关系表 3 所示；驱动信号选择电路根据区间选择信号选 择每个开关管对应的驱动信号；单周控制电路是实现单周控制的核心电路，由复位积分电路、 数学运算电路、比较电路、触发器电路等组成。uaubuc电压空间矢量 区间划分电路区间划分电路+ia ip +12+ib1c-i in +21+R QQp-S Q驱动 电路时钟选择信号 S Q+R QQnSapSanScn复位 电流选择电路信号V 1 t -E+VrefVmAV (s)PI调节器m 单周控制电路图 3 三相有源电力滤波器单周控制器结构Fig3 The one-cyc

11、le control diagram for the three-phase APF3稳定性条件和瞬态特性3.1 稳定性条件简单空间矢量下单周控制的三相三线制 APF 为大信号非线性系统。采用 Poincare 映射 图技术，简单空间矢量下单周控制的三相三线制 APF 收敛的条件为：m m2 m1c2（3）式中 m1 和 m2 分别为电流 Rs (2ip + in ) 和 Rs (2in + ip ) 的上升和下降斜率， mc 为由复位积分器产生信号的等效斜率。由于 APF 的开关频率远远大于负载的频率，所以控制信号 Rs (2ip + in ) 和 Rs (2in + ip ) 的纹波由 A

12、PF 的开关动作决定，即（在区间）：m = Rs uab1Lm = Rs (E uab )2L（4）由式（3）和式（4）可得到局部稳定条件为：V Rs (E 2uab ) Tm2Ls（5）由前面可知，Vm 反映了负载的状况，因此 uab 达到最小和在轻载的状况下，式（5）为最差情况。同样在其它区间的情况也如式（5）所示。 式（5）为简单空间矢量下单周控制的三相三线制 APF 控制算法的充分条件，但是，通常它对于电路参数的选择过于苛刻，不利于电路参数的选择。例如，选取大的滤波电感 L 和小的电流采样电阻 Rs 有利于 APF 的无条件稳定状态；但是同时滤波电感 L 的最大值和电流采样电阻 Rs

13、的最小值也受其它因素的限制。另外，APF 直流侧电压 E 必须足够大，从而使 系统在整流时能够工作在升压模式，但是如果太大将导致系统局部不稳定。因此各个参数的 选择还要进行综合考虑。即使能够满足使式（5）的部分条件，简单空间矢量下单周控制的三相三线制 APF 也能满足稳定性要求。因为uab =6U arms cos(t 60)(t = 0 60) 在 uabpeak / 2 和 uabpeak之间变化，所以当 uab 达到最大值时，如果 E 2uabpeak ，则式永远满足（5）的稳定性条件。 因此，当 E 2uabpeak 时就能够满足全局稳定性条件，从而更方便电路参数的选择。3.2 大信号

14、扰动大信号扰动主要包括：APF 工作状态的改变，例如电路的启动或停止；负载装状况的 快速改变，例如负载功率阶梯变化；瞬变特性；来自故障或外部环境的随机扰动等。图 4 为前三种情况下的仿真波形图。根据图 3 所示的简单空间矢量下单周控制电路结构图，为了使占空比 d p 和 dn 满足一定的要求，例如 dmax = 0.9 和 dmin = 0.1 分别代表最大和 最小占空比，应使 Rs (2ip + in ) 满足以下等式：Vm (1 d max ) Rs (2i p + in ) Vm (1 d min )（6）式（6.30）的实际物理意义是： Rs (2ip + in ) 的值必须在Vm (

15、dmin dmax ) 之间。Vm 经 PI 调节器根据负载的状况调整为适当的值，它随着负载的变化而变化，如图 4 所示。任何叠 加到 Rs (2ip + in ) 上的扰 动都 可以改 变信 号 Rs (2ip + in ) 相对 于载 波信号 Vm (1 t / ) 的位置。在实际中有四种类型的扰动：、，如图 5 所示。由于扰动类型或可能使比较器在一个或连续多个开关周期内不能翻转，所以必须限制最大占空比防止上下桥臂的开关管直通。3.3 瞬变跟踪特性三相整流器与扼流电感换相时所造成的负载电流瞬变特性如图 4 所示。这种瞬变是上面 所提到的一种大信号扰动。这种扰动如果不加以补偿将会降低 APF

16、 的稳态性能，在这里主 要讨论 APF 输入滤波电感对 APF 补偿的影响。从滤波器开关纹波上看，电感值越大，输出电流就越平滑。但 APF 中补偿电流的上升率与 APF 输入滤波电感成反比，而与非线性负载的大小成正比，因此在重载的情况下滤波 电感主要由电流上升率来决定，例如采用小的滤波电感。显而易见，APF 滤波参数的选取 与瞬态补偿性能相矛盾，当负载在很大的范围内变化时，若 APF 输入滤波电感为固定值时 不能很好的进行补偿，即重载的情况下小的输入滤波电感其补偿性能好，而在轻载的情况下 大的输入滤波电感其补偿性能好。解决这种矛盾的方法可以采用自适应输入滤波电感的方 法，使 APF 输入滤波电

17、感随着负载状况进行相应的改变从而使补偿性能在轻载和重载的状 况下都能达到很好的补偿效果。扰动类 型扰动类 型扰动类型扰动类 型Vm(1t /)Rs (2ip +in)图 4 APF 大信号扰动波形图Fig4 The waveform of large signal disturb for APF4仿真与试验结果图 5 大信号扰动Fig5 The large signal disturb为了验证所分析理论的正确性,根据上述推导的理论结果采用 Saber 进行系统仿真 研究和试验研究。在仿真中非线性负载为三相整流器。仿真与试验参数如下：输入交流电压幅值为 ua = ub = uc = 90V 13

18、5V （有效值）；交流母线电压频率为f = 400Hz ；直流母线电压为 E = 380V ；直流侧电容为 Cdc = 470uF ；输入电感为L = 0.2mH 1mH ；开关频率为 fs = 50kHz ；非线性负载功率为 6kVA。图 69 为仿真波形图；图 1011 为试验波形图。图 6 仿真波形 (L=0.2mH, P=6kVA)Fig6 The simulated waveform (L=0.2mH, P=6kVA)图 7 .2mH 时（0.38kVA）的仿真波形Fig7 The simulated waveform (L=0.2mH, P=0.38kVA)图 8 仿真波形 (L=

19、1mH, P=6kVA)Fig.8 The simulated waveform (L=1mH, P=6kVA)图 10 实验波形 (L=1mH, P=1.38kVA)Fig10 The experimental waveform (L=1mH, P=1.38kVA)图 9 仿真波形 (L=1mH, P=0.38kVA)Fig.9 The simulated waveform (L=0.5mH, P=2.5kVA)图 11 实验波形 (L=0.5mH, P=2.5kVA)Fig11 The experimental waveform (L=1mH, P=1.38kVA)图 1011 为加入 A

20、PF 后交流电网输出三相电流波形。从图 4、图 711 的仿真和试验 结果可以看出，在保证稳定性的基础上通过根据负载功率来调整输入滤波电感的值可以在轻 载到满载的整个范围中能够获得满意的滤波效果。4总结通过对简单空间矢量下单周控制三相航空有源电力滤波器的理论分析，并经过仿真和试验研究得出了保证 APF 稳定性的条件和提高大信号扰动下提高瞬变动态响应的方法，能够 使 APF 在整个功率范围内获得满意的补偿效果。对采用简单空间矢量下单周控制的三相航 空有源电力滤波器的设计具有重要的参考价值。本文通过参考文献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, 2004.W

21、ang Zhaoan, Yang Jun, Liu Jinjun. Harmonic Reduction and Reactive Power CompensationM. Beijing: Press of Machine, 2004.（in Chinese）2刘红萍，张代润. 有源电力滤波器的正弦滞环控制法研究 J. 四川联合大学学报（工程科学版）,1999,3(4): 103-110.Liu Hongping, Zhang Dairun. A Study of Sinusoidal Hysteresis Control Scheme for Active Power FiltersJ.

22、Journal of Sichuan Union University(Engineering science Edition), 1999,3(4): 103-110.（in Chinese）3乐健，姜齐荣，韩英铎. 基于统一数学模型的三相四线有源电力滤波器的电流滞环控制策略分析J. 中 国电机工程学报，2007,27(10): 85-91.Le Jian, Jiang Qi-rong, Han Ying-duo. The Analysisof Hysteresis Current Control Strategy of Three-phaseFour-wire APF Based on t

23、he Unified Mathematic ModelJ. Proceedings of the CSEE，2007,27(10): 85-91.（in Chinese）4姜俊峰，刘会金，陈允平，等有源滤波器的电压空间矢量双滞环电流控制新方法J. 中国电机工程 学报，2004，24(10)：82-86.Jiang Junfeng，Liu Huijin，Chen Yunping，et alA novel double hysteresis current control method for active power filter with voltage space vectorJ. Proc

24、eedings of the CSEE，2004，24(10)：82-86. （in Chinese）5陈东华，谢少军，周波. 用于有源电力滤波器谐波和无功电流检测的一种改进同步坐标法J. 中国电 机工程学报，2005，25(20)：82-86.Chen Dong-hua, Xie Shao-jun, Zhou Bo. An Improvde Synchronous Reference Frame Method for Harmonics and Reactive Currents Detection of Active Power FiltersR. Proceedings of the C

25、SEE，2005,25(20): 82-86.（in Chinese）6Chongming Qiao, Keyue Ma Smedley. Three-Phase Bipolar Mode Active Power FilterJ. IEEE Trans onIndustry Applications, 2002, 38(1): 149-158.7Yong Wang, Songhua Shen. Research on One-cycle Control for Switching ConvertersC. In: WCICA2004C, China: Hangzhou, 2004. 6(1)

26、:74-77.8C.Qiao and K. M. Smedley. Three-phase Active Power Filter With Unified Constant-frequency ControlA.In: IPEMC2000C, China: Beijing, 2000. 15-18.9Chongming Qiao, Keyue M. Smedley and Franco Maddaleno. A Single-phase Active Power Filter WithOne-Cycle Control Under Unipolar operationJ, IEEE Tran

27、s on Circuits and Systems- I: Regular papers,2004,51(8): 1623-1630.10 Zhou Lin, Shen Xiao-li, Zhou Luo-wei, et al. Application of One-Cycle Control Method to Active PowerFilterJ, Power Electronics, 2004, 38(4): 11-13.11 Wang Yong, Shen Songhua, L Hongli, et al. Study of three-phase inverters based o

28、n simplified voltagespace-vector methodJ, Transactions of China electrotechnical society, 2005, 20(10): 25-29.12 王永，沈颂华. 空间矢量和单周控制的三相航空有源电力滤波器J. 北京航空航天大学学报，2007,33(1): 90-93,109.13 Wang Yong, Shen Songhua. Three-phase Aeronautical Active Power Filter Based on SpaceVector and One-cycle ControlJ. 2007

29、, 33(1):Study On Stability and Dynamic Performance ofThree-phase Aeronautical Active Power Filter Based on One-cycle Control under Simply Space VectorWang Yong，Guan MiaoSchool of Automation Science and Electrical Engineering, Beijing University of Aeronautics andAstronautics， Beijing, PRC, 100191Abs

30、tractThe principle of three-phase aeronautical active power filter based on one-cycle control under simply space vector is analyzed. The mathematic model of three-phase aeronautical active power filter isestablished. Stability conditions of three-phase aeronautical active power filter based on one-c

31、ycle control under simply space vector are derived. Dynamic performance under big signal disturb isanalyzed, and the resolvent is proposed. The modeling and digital simulation of three-phaseaeronautical active power filter are implemented with Saber, and the experiments of 6 kVA three-phase aeronautical active power filter are carried out. The simulative and experimental results verify the theoretic analysis.Keywords: aeronautical active power filter; simply space vector; one-cycle control; dynamic performance作者简介：王永，男，1975 年生，讲师，主要研究方向是电力电子与电力传动，检测技术 与自动化装置。