基于電壓矢量法的中壓cs-apf雙滯環(huán)容錯控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于電壓空間矢量法的中壓CS-APF（級聯(lián)式并聯(lián)有源電力濾波器）雙滯環(huán)容錯型電流控制方法，解決CS-APF中存在的級聯(lián)電路故障幾率較大問題，并有效降低成本。非故障狀態(tài)下，當電流跟蹤誤差較大時主要考慮電流跟蹤的快速性，誤差較小時主要考慮精確性；故障狀態(tài)下，充分利用級聯(lián)逆變器冗余電壓矢量多，且位置經(jīng)常重合的特性，選擇最優(yōu)的非故障電壓矢量盡可能等效的替代故障電壓矢量，使CS-APF的輸出電流能在故障狀態(tài)下較準確的跟蹤參考值。與目前常用的N+1冗余容錯方式相比，該法不需要增加附加的硬件冗余資源，節(jié)約成本，并可以推廣至任意階CS-APF中去，顯著提高中壓有源電力濾波器的工作可靠性。
【專利說明】基于電壓矢量法的中壓CS-APF雙滯環(huán)容錯控制方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及有源電カ濾波器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于電壓空間矢量法的中壓CS-APF雙滯環(huán)容錯型電流控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，我國中壓電カ系統(tǒng)的濾波裝置主要以無源濾波為主，包括無源電力濾波器FC、晶閘管投切電容器TSC和晶閘管控制電抗器TCR等。具有參數(shù)固定、補償不靈活，只能濾除特定次諧波，容易產(chǎn)生諧振等缺點。因此，諧波的調(diào)節(jié)效果不佳，供電質(zhì)量還有待進ー步提尚。
[0003]有源電カ濾波器(簡稱APF)具有高度的可控性和響應的快速性，是治理諧波污染、改善電能質(zhì)量的一種比較理想的濾波裝置?，F(xiàn)階段，APF技術(shù)在400V配網(wǎng)等低壓領(lǐng)域已經(jīng)得到了成功應用；但受硬件限制，單臺APF裝置的容量一般較小，不能直接應用于中壓大容量場合。
[0004]由于我國的10kV、35kV中壓配電網(wǎng)絕大部分屬于中性點不接地系統(tǒng)，因此不太適合直接引進國外有源濾波設(shè)備。更適合在充分考慮我國特殊國情的前提下，自主研發(fā)中壓有源電カ濾波器。例如，主電路拓撲結(jié)構(gòu)適合采用三相三線制的聯(lián)結(jié)方式。
[0005]CS-APF具有容量大、開關(guān)頻率低、結(jié)構(gòu)靈活、更換方便、du/dt低、電流紋波小等優(yōu)點，非常適合應用于中壓大容量領(lǐng)域。但由于級聯(lián)逆變器主電路中的器件較多，相比于傳統(tǒng)的APF，CS-APF的故障幾率會大很多。由于各級聯(lián)H橋單元為串聯(lián)，當任意一個級聯(lián)單元發(fā)生故障時，如果不采取措施，將使得該故障単元所在相無法繼續(xù)工作，會對電網(wǎng)造成很大沖擊。因此，如何提高CS-APF系統(tǒng)的故障容錯能力就很自然的擺在我們面前。
[0006]現(xiàn)階段，在高壓電動機驅(qū)動領(lǐng)域，級聯(lián)式變頻器的容錯控制已經(jīng)屢見不鮮；在STATC0M領(lǐng)域級聯(lián)逆變器容錯技術(shù)的研究也有了明顯進展；國內(nèi)外一些企業(yè)也在進行CS-APF容錯控制技術(shù)的研究，如我國的武新電氣等。與電動機驅(qū)動相比，APF的三相輸出電流沒有嚴格對稱的要求，尤其在電流滯環(huán)控制方式下，三相電流誤差只要小于滯環(huán)寬度即可；與STATC0M相比，APF的器件開關(guān)頻率要高很多。因此，CS-APF的容錯控制技術(shù)不能完全照搬前兩者的理論，需要結(jié)合自身特點進行設(shè)計。
[0007]目前，級聯(lián)式逆變器的容錯控制技術(shù)主要有以下3種:
(1)屏蔽發(fā)生故障的単元，并將另外兩相中與故障単元相對應的非故障単元屏蔽，以保證三相輸出相電壓的對稱，即降容量運行。此方法比較適合電機這類要求三相電源完全對稱的負載，但是部分非故障級聯(lián)單元的輸出能力沒能得到充分利用，存在資源的浪費；
(2)基于中性點偏移的方法可以在僅旁路故障単元的情況下獲得最大的對稱線電壓；但此方法多用于有調(diào)制波的控制系統(tǒng)，不適合電壓矢量法；
(3)充分利用系統(tǒng)的冗余資源，代替因故障而無法使用的開關(guān)狀態(tài)或級聯(lián)單元；冗余可分為系統(tǒng)冗余、単元冗余和開關(guān)狀態(tài)冗余3種:
①系統(tǒng)冗余即增加一個與原系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)完全一致并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)，該法不適合級聯(lián)結(jié)構(gòu)，否則會造成資源的嚴重浪費；
②單元冗余即在原有N単元串聯(lián)的基礎(chǔ)上，每相再増加一個或兩個備用単元，常用的是N+1冗余；一旦某些級聯(lián)單元發(fā)生故障，立即旁路該故障単元，同時將冗余単元投入エ作，代替故障単元；但是，由于APF裝置絕大多數(shù)情況下工作于非故障狀態(tài)，因此該方法會造成冗余単元容量的浪費；
③開關(guān)狀態(tài)冗余則不需要附加硬件冗余資源，是利用位置重疊或接近的冗余開關(guān)狀態(tài)(即電壓矢量)代替故障開關(guān)狀態(tài)，從而實現(xiàn)容錯控制，此方法最經(jīng)濟實惠；本發(fā)明涉及的中壓CS-APF容錯控制方法就是利用冗余開關(guān)狀態(tài)來實現(xiàn)容錯控制。
[0008]經(jīng)查閱國內(nèi)外文獻，尚未發(fā)現(xiàn)“利用級聯(lián)逆變器冗余開關(guān)狀態(tài)實現(xiàn)容錯控制的中壓CS-APF容錯控制技術(shù)”的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009](一 )要解決的技術(shù)問題
為了解決中壓CS-APF故障幾率較大的問題，并盡可能的降低硬件成本，本發(fā)明提供了一種中壓CS-APF雙滯環(huán)容錯控制方法，充分利用級聯(lián)逆變器的冗余電壓矢量實現(xiàn)容錯控制，使CS-APF能在故障狀態(tài)下較準確補償諧波電流，從而提高我國中壓電カ系統(tǒng)的供電質(zhì)量。
[0010](二)技術(shù)方案
為了達到上述目的，本發(fā)明涉及方法包括如下步驟:
(1)通過電流雙滯環(huán)確定有源濾波器輸出補償電流的實際值i。與參考值じ之間的誤差A i，其中電流雙滯環(huán)的外環(huán)保證電流跟蹤的快速性，內(nèi)環(huán)保證精確性，并作為選擇電壓矢量的依據(jù)；
(2)非故障狀態(tài)下控制方法:
①當電流跟蹤誤差I(lǐng)Ail大于外環(huán)寬度112時(§卩I Ai| >h2)，不考慮參考電壓空間矢量位置，選擇使電流誤差下降速度最快的電壓矢量，即其對應的d Ai / dt具有與電流誤差矢量Ai方向相反的最大分量，使I Ail以最快的速度逼近內(nèi)環(huán)，從而實現(xiàn)對參考電流的快速跟蹤；
②當電流誤差處于內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間時(即h2>I Ai Sh1),選擇對應誤差電流微分幅值最小的電壓矢量，以穩(wěn)定誤差，并降低開關(guān)頻率；
③當誤差電流小于內(nèi)環(huán)寬度Ii1時(即Ill> I Ai≥0)，輸出電壓矢量將維持不變，以降低平均開關(guān)頻率，簡化算法；
(3)當CS-APF的某個或幾個級聯(lián)單元發(fā)生故障時，會引起該相電平數(shù)減少，上述方法選定的電壓矢量可能由于故障而無法使用，成為故障電壓矢量；此時，首先迅速短接故障単元，并充分利用級聯(lián)逆變器冗余電壓矢量多，且位置經(jīng)常重合的特性，選擇最優(yōu)的非故障電壓矢量替換故障電壓矢量，即選擇位置重合或效果最接近的非故障矢量進行替代，使CS-APF的輸出電流i。能在故障狀態(tài)下較準確的跟蹤參考值。
[0011]根據(jù)上述步驟選出最優(yōu)的電壓矢量，使得CS-APF的輸出電流在非故障狀態(tài)和故障狀態(tài)下都能夠準確的跟蹤參考值，即實現(xiàn)諧波的有效補償。
[0012]另外，為保持各級聯(lián)單元的直流側(cè)電壓均衡，需要對直流側(cè)進行閉環(huán)控制。[0013]特別是，步驟(3)當某些級聯(lián)單元發(fā)生故障時，會引起該相電平數(shù)減少。當原算法選出的電壓矢量Uk為非故障電壓矢量時，則計算結(jié)束，該矢量即為最后選定的電壓矢量。若Uk為故障矢量，則選擇與其作用效果最接近的其它非故障電壓矢量進行替代，優(yōu)先選擇位置重合的非故障矢量，如果所有位置重合的矢量都為故障矢量，則選擇位置和效果最接近的其它矢量代替uk。
[0014]具體矢量替代步驟如下:
在N階級聯(lián)逆變器的電壓矢量圖中，由中點向外共有2N個正六邊形(不包括中點)，分別命名為六邊形1、2 …2N,以級聯(lián)逆變器a相中有m (0 < m < N)個級聯(lián)單元發(fā)生故障為例:
①當Uk= (x，y，z)位于電壓矢量圖中最外側(cè)的m個六邊形吋，此時無位置重合的非故障矢量可選擇，矢量替代方法如下:
當參考電壓矢量位于扇區(qū)1或譏時，選擇(1-1，7，2)，(1-2，7，2)…中與其最接近的非故障電壓矢量；
當參考電壓矢量位于扇區(qū)III或IV時,選擇(x+1, y, z), (x+2, y, z)…中與其最接近的非故障電壓矢量；
當參考電壓矢量位于扇區(qū)II或V時，不受a相故障影響；
級聯(lián)階數(shù)N越大，矢量替換前后的相位和大小誤差越低，電流跟蹤越準確；
②當Uk= (X，y, z)位于六邊形j (I≤j≤2N-m)時,此時有位置重合的非故障矢量可選擇，矢量替代方法如下:
當參考電壓矢量位于扇區(qū)I或VI時，選擇(x-1, y-1, z-1), (x-2, y-2, z_2) --?中的非故障電壓矢量；
當參考電壓矢量位于扇區(qū)III或IV時,選擇(x+1, y+1, z+1), (x+2, y+2, z+2)…中的非故障電壓矢量；
當參考電壓矢量位于扇區(qū)II或V時，不受a相故障影響(邊界不計)；
同理可得，當b或c相有一個級聯(lián)單元發(fā)生故障時的電壓矢量替換方法。
[0015](三)有益效果
本發(fā)明提出的基于電壓矢量法的中壓CS-APF雙滯環(huán)容錯控制方法，解決了 CS-APF故障幾率較大的問題，兼顧了電流跟蹤的快速性和精確性，具有較強的容錯性能，非常適合中壓、大功率的場合。該方法不需要附加的硬件冗余資源，硬件成本低，可以顯著提高中壓有源濾波器的工作可靠性，具有廣闊的市場空間。
[0016]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1為CS-APF拓撲結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖2為CS-APF級聯(lián)單元拓撲機構(gòu)圖及均衡輔助嵌位電路。
[0018]圖3為基于電壓矢量法的中壓CS-APF雙滯環(huán)容錯控制方法原理圖。
[0019]圖4為2階CS-APF對應的五電平電壓矢量分布圖。
[0020]圖5為a相I單元故障時的五電平開關(guān)狀態(tài)分布圖。
[0021]【具體實施方式】:
下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明做詳細描述。
[0022](一)硬件電路方案(I)主電路拓撲結(jié)構(gòu)
本發(fā)明涉及的中壓CS-APF主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示:由于APF要求有很高的動態(tài)響應速度和開關(guān)頻率，因此開關(guān)器件選擇了 IGBT，額定電壓為1700V。每相串聯(lián)階數(shù)N需要根據(jù)應用場合確定，以IOKV配網(wǎng)為例，保留2倍安全裕度，則各級聯(lián)單元電壓800-1000V為宜，每相串聯(lián)的級聯(lián)單元階數(shù)N大概為10左右，同理可計算其它中壓電網(wǎng)對應的階數(shù)。
[0023](2)級聯(lián)單元直流側(cè)電壓的均壓輔助電路
本發(fā)明涉及的中壓CS-APF的級聯(lián)H橋單元拓撲圖及均壓輔助嵌位電路如圖2所示，每個單元的輔助電路由一個全橋逆變器經(jīng)過隔離變壓器與輔助電路交流母線相連，每相共用ー個交流母線。其中Sac為輔助開關(guān)，T為輔助變壓器，輔助逆變橋與主逆變橋共用直流母線，Udc為直流電容電壓。
[0024](3)控制電路和驅(qū)動電路
本發(fā)明涉及的中壓CS-APF的控制電路和驅(qū)動電路如下:控制電路采用雙DSP結(jié)構(gòu)，通過雙ロ RAM (IDI70V24sl5)進行通信，可以數(shù)據(jù)共享。其中，DSPl負責檢測諧波電流作為電流參考值，并完成直流側(cè)總電壓控制，以及輔助電路PWM信號產(chǎn)生；DSP2負責補償電流跟蹤控制，產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號和故障単元的旁路控制。IGBT驅(qū)動電路采用北京落木源公司的IGBT集成驅(qū)動模塊。
[0025]( 二)軟件部分方案
本發(fā)明涉及的基于電壓矢量法的中壓CS-APF雙滯環(huán)容錯控制方法如圖3所示:首先計算負載電流れ中的諧波成分，將其取反即得到參考電流じ；通過控制算法選擇最優(yōu)的電壓矢量，使APF輸出電流在故障和非故障情況下，都能夠準確地跟蹤i/，從而實現(xiàn)諧波補償。
[0026](I)在CS-APF非故障情況下，具體控制方法如下:
①如圖3中的雙滯環(huán)所示，當I A i I≥h2，電流誤差位于外環(huán)，即誤差較大。此時選擇電壓空間矢量Uk應該考慮減小誤差快速性，使其對應的d A i / dt具有與電流誤差矢量A i方向相反的最大分量；以圖4為例，此時應在六邊形頂點所對應的最大電壓矢量中選擇，使電流誤差迅速降低，從而實現(xiàn)對參考電流的快速跟蹤，使誤差電流以最快的速度逼近內(nèi)環(huán)。
[0027]②當h2 > I A i I≥Ii1吋，電流誤差位于內(nèi)、外環(huán)之間，此時應選擇對應誤差電流微分幅值最小的電壓矢量，以穩(wěn)定誤差，并降低開關(guān)頻率，將誤差電流限制在死區(qū)附近。由公式(61)可見，當Uk=U*最符合要求。
[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種基于電壓空間矢量法的中壓CS-APF雙滯環(huán)容錯控制方法，其特征在于，所述控制方法的步驟包括: (1)通過電流雙滯環(huán)確定有源濾波器輸出補償電流的實際值i。與參考值じ之間的誤差A i，其中電流雙滯環(huán)的外環(huán)保證電流跟蹤的快速性，內(nèi)環(huán)保證精確性，并作為選擇電壓矢量的依據(jù)； (2)非故障狀態(tài)下控制方法: ①當電流跟蹤誤差I(lǐng)Ai|大于外環(huán)寬度112時(§卩I Ai| >h2)，不考慮參考電壓空間矢量位置，選擇使電流誤差下降速度最快的電壓矢量，即其對應的d Ai / dt具有與電流誤差矢量Ai方向相反的最大分量，使I Ai|以最快的速度逼近內(nèi)環(huán)，從而實現(xiàn)對參考電流的快速跟蹤； ②當電流誤差處于內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間時(即h2>I Ai Sh1),選擇對應誤差電流微分幅值最小的電壓矢量，以穩(wěn)定誤差，并降低開關(guān)頻率； ③當誤差電流小于內(nèi)環(huán)寬度Ii1時(即Ill> I Ai≥0)，輸出電壓矢量將維持不變，以降低平均開關(guān)頻率，簡化算法； (3)當CS-APF的某個或幾個級聯(lián)單元發(fā)生故障時，會引起該相電平數(shù)減少，上述方法選定的電壓矢量可能由 于故障而無法使用，成為故障電壓矢量；此時，首先迅速短接故障単元，并充分利用級聯(lián)逆變器冗余電壓矢量多，且位置經(jīng)常重合的特性，選擇最優(yōu)的非故障電壓矢量替換故障電壓矢量，即選擇位置重合或效果最接近的非故障矢量進行替代，使CS-APF的輸出電流能在故障狀態(tài)下較準確的跟蹤參考值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電壓空間矢量法的中壓CS-APF雙滯環(huán)容錯控制方法，其特征在于:所述步驟(3)中，當步驟(2)選出的電壓矢量Uk為非故障電壓矢量時(即Uk未受到該故障的影響，可以正常使用)，則計算結(jié)束，該矢量即為最后選定的電壓矢量；若Uk為故障電壓矢量，則選擇與其作用效果最接近的其它非故障電壓矢量進行替代，優(yōu)先選擇位置重合的非故障矢量，如果所有位置重合的矢量都為故障電壓矢量，則選擇位置和效果最接近的其它矢量代替Uk，具體矢量替代步驟如下: 在N階級聯(lián)逆變器的電壓矢量圖中，由中點向外共有2N個正六邊形(不包括中點)，分別命名為六邊形1、2…2N,以級聯(lián)逆變器a相中有m (0 < m < N)個級聯(lián)單元發(fā)生故障為例； ①當Uk=(x, y, z)位于電壓矢量圖中最外側(cè)的m個六邊形吋，此時無位置重合的非故障矢量可選擇，矢量替代方法如下: 當參考電壓矢量位于扇區(qū)1或譏時，選擇(1-1，7，2)，(1-2，7，2)…中與其最接近的非故障電壓矢量； 當參考電壓矢量位于扇區(qū)III或IV時,選擇(x+1, y, z), (x+2, y, z)…中與其最接近的非故障電壓矢量； 當參考電壓矢量位于扇區(qū)II或V時，不受a相故障影響； 級聯(lián)階數(shù)N越大，矢量替換前后的相位和大小誤差越低，電流跟蹤越準確； ②當Uk=(x，y，z)位于六邊形j (I < j < 2N-m)時，此時有位置重合的非故障矢量可選擇，矢量替代方法如下:當參考電壓矢量位于扇區(qū)I或VI時，選擇(X-1, y-1, Z-1), (x-2, y-2, z_2)--?中的非故障電壓矢量； 當參考電壓矢量位于扇區(qū)III或IV時,選擇(x+1, y+1, z+1), (x+2, y+2, z+2)…中的非故障電壓矢量； 當參考電壓矢量位于扇區(qū)II或V時，不受a相故障影響(邊界不計)； 同理可得，當b或c相有一個`級聯(lián)單元發(fā)生故障時的電壓矢量替換方法。
【文檔編號】H02M7/217GK103532408SQ201310434169
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】李國華, 汪玉鳳, 宋雪萍, 高小朋, 張立 申請人:遼寧工程技術(shù)大學