本發(fā)明涉及電網(wǎng)電能質(zhì)量控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于單周矢量控制的SAPF控制方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中半導(dǎo)體非線性負(fù)荷日益增多，這些負(fù)荷的引入會(huì)產(chǎn)生大量的諧波和無功，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量構(gòu)成威脅。目前主要從兩方面解決諧波污染問題：一是對電力電子裝置本身進(jìn)行改造，開發(fā)新型變流器。二是在電網(wǎng)外部裝設(shè)各種不同種類的諧波抑制和無功補(bǔ)償裝置。前者只適用于主要諧波源為電力電子設(shè)備的情況，而后者適用于所有諧波源，因此具有更廣闊的應(yīng)用前景。諧波抑制和無功補(bǔ)償裝置又可分為無源濾波器(PassivePowerFilter,PPF)和有源電力濾波器(ActivePowerFilter,APF)兩種。PPF只能處理固定頻率的若干次諧波，補(bǔ)償效果不佳。與PPF相比APF最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠?qū)崟r(shí)跟蹤補(bǔ)償各次諧波，因此目前廣泛采用APF來對這些諧波和無功進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。其中并聯(lián)型有源濾波器(Shuntactivepowerfilter,SAPF)因易于接入或者退出電網(wǎng)，保護(hù)裝置設(shè)置也較為靈敏，故在實(shí)際生產(chǎn)或者民用市政電網(wǎng)中，大多采用的還是SAPF。目前SAPF控制主要采用滯環(huán)控制、三角波控制、無差拍控制等方法，這些方法均包含諧波和無功檢測環(huán)節(jié)，同時(shí)需要復(fù)雜的指令運(yùn)算才能得到補(bǔ)償電流的參考值，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種簡化電路、適用范圍廣、降低損耗、優(yōu)化控制的基于單周矢量控制的SAPF控制方法及系統(tǒng)。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種基于單周矢量控制的SAPF控制方法，包括以下步驟：1)分別獲取電源的三相電壓零和分量，該零和分量為三相電壓中正序分量與負(fù)序分量的合成量；2)根據(jù)三相電壓零和分量的過零點(diǎn)將一個(gè)電壓周期進(jìn)行區(qū)域劃分，共計(jì)分為6個(gè)區(qū)域；3)根據(jù)區(qū)域劃分的結(jié)果獲取各區(qū)域上的基于單周矢量控制的控制方程；4)根據(jù)區(qū)域劃分的結(jié)果和基于單周矢量控制的控制方程獲取各區(qū)域上SAPF的逆變器各相橋臂開關(guān)的工作狀態(tài)，并根據(jù)工作狀態(tài)生成相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號；5)采用PSO優(yōu)化的PI控制保證SAPF的逆變器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。所述的步驟1)中，三相電壓零和分量的計(jì)算式為：其中，Vsj0為三相電壓零和分量，為三相電壓正序分量，為三相電壓負(fù)序分量，Vsj為三相電壓，V0為為三相電壓零序分量，j取值為a、b、c。所述的步驟2)中，區(qū)域劃分的結(jié)果為：區(qū)域編號Vsa0Vsb0Vsc0I+-+II+--III++-IV-+-V-++VI--+其中，Vsa0、Vsb0、Vsc0分別為三相電壓零和分量。所述的步驟3)中，基于單周矢量控制的控制方程：V′dc＝VdcRs/Re其中，dj為各區(qū)域上SAPF的逆變器a、b、c相下橋臂開關(guān)的占空比，且d＝0,1,2，V′dc為由直流側(cè)電壓Vdc經(jīng)PI控制后獲得，Rs為采樣電阻，Re為非線性負(fù)荷和有源濾波器的并聯(lián)組合的等效電阻，i1、i2為電流選擇電路的輸出電流。一種基于單周矢量控制的SAPF控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：選擇電壓區(qū)間模塊(1)、電流選擇電路(2)、比較器(3)、RS觸發(fā)器(4)、時(shí)鐘電路、驅(qū)動(dòng)信號生成器(5)、復(fù)位積分器(6)和PSO的PI控制模塊(7)，所述的選擇電壓區(qū)間模塊(1)分別與電流選擇電路(2)和驅(qū)動(dòng)信號生成器(5)連接，所述的比較器(3)分別以電流選擇電路(2)的輸出和復(fù)位積分器的輸出為輸入，所述的RS觸發(fā)器(4)分別以時(shí)鐘電路和比較器(3)的輸出為輸入，所述的驅(qū)動(dòng)信號生成器(5)與RS觸發(fā)器(4)連接，所述的復(fù)位積分器(6)與PSO的PI控制模塊(7)連接；選擇電壓區(qū)間模塊(1)獲取電源的三相電壓零和分量并進(jìn)行區(qū)域劃分，產(chǎn)生區(qū)域劃分結(jié)果，電流選擇電路(2)根據(jù)區(qū)域劃分的結(jié)果和基于單周矢量控制的控制方程生成輸出電流，經(jīng)過比較器(3)和RS觸發(fā)器(4)的處理后作為驅(qū)動(dòng)信號生成器(5)的輸入，最終得到SAPF的逆變器各相橋臂開關(guān)的控制信號，對SAPF進(jìn)行控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)簡化電路。將非線性負(fù)荷與SAPF等效為一純電阻，只需檢測各相電源電流和電壓，電路結(jié)構(gòu)中不需要諧波含量的提取模塊，有效地簡化了電路結(jié)構(gòu)；(2)適用范圍廣。引入零和分量的概念，使該發(fā)明不僅適用于理想電源，也適用于不平衡狀態(tài)下的非理想電源；(3)降低損耗。引入矢量運(yùn)算，將一個(gè)周期上的電壓劃分為6個(gè)區(qū)域，使在各區(qū)域內(nèi)三相橋臂上的開關(guān)中存在一相開關(guān)能工作于低頻狀態(tài)，降低了逆變器的開關(guān)損耗；(4)優(yōu)化控制。引入基于PSO優(yōu)化算法的PI控制，克服了傳統(tǒng)PI控制的控制參數(shù)整定依賴經(jīng)驗(yàn)的缺點(diǎn)。附圖說明圖1為本發(fā)明所述傳統(tǒng)的三相SAPF單周控制框圖。圖2為本發(fā)明所述不對稱電源的向量分解圖。圖3為本發(fā)明所述單周矢量控制的原理圖。圖4為本發(fā)明所述基于PSO優(yōu)化算法的PI控制框圖。圖5本發(fā)明實(shí)施例所述理想電源下SAPF補(bǔ)償前后的電源電流、電壓和直流側(cè)電壓波形圖。圖6本發(fā)明實(shí)施例所述電源電壓帶有諧波情況下，a相電源電流和電壓的波形圖。圖7本發(fā)明實(shí)施例所述不對稱電源電壓下，a、b、c三相電源電流和電壓的波形圖。圖8本發(fā)明實(shí)施例所述b相發(fā)生單相短路接地時(shí)，SAPF補(bǔ)償前后b相電源電流波形圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例：本發(fā)明在分析了SAPF的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，將單周控制引入到SAPF的控制中，并根據(jù)傳統(tǒng)單周控制的缺陷引入“零和分量”的概念、矢量運(yùn)算和粒子群優(yōu)化算法(ParticleSwarmOptimization，PSO)，實(shí)現(xiàn)了濾除電網(wǎng)諧波電流的目的。(1)“零和分量”的引入圖1為傳統(tǒng)的三相SAPF單周控制框圖。假設(shè)三橋臂電壓變換器始終工作在電流連續(xù)狀態(tài)，開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電源頻率(50Hz)，各橋臂上的開關(guān)工作在互補(bǔ)狀態(tài)。設(shè)上、下橋臂各開關(guān)SjP、SjN(其中j＝a,b,c)的占空比分別為1-djN和djN，則節(jié)點(diǎn)a、b、c相對于N端的電壓分別為：由基爾霍夫電壓定律，可得節(jié)點(diǎn)a、b、c相對于中性點(diǎn)o的電壓分別為：由于濾波電感L上的電壓降相對于電源電壓Vsj(j＝a,b,c)很小，可忽略不計(jì)，因此，Vjo≈Vsj。由式(2)可得：VaN+VbN+VcN+3VNo≈Vsa+Vsb+Vsc＝0(3)對于不對稱非理想系統(tǒng)而言，Vsa+Vsb+Vsc≠0，因此式(3)需重新推導(dǎo)。為此引入“零和分量”概念。圖2為采用對稱分量法將不對稱電源電壓分解的向量圖。由圖可見，不對稱三相電壓Vsj可分解為正序分量負(fù)序分量和零序分量V0。定義電壓的“零和分量”為正序分量和負(fù)序分量的合成量，即為：對于不對稱非理想系統(tǒng)而言，有Vsa+Vsb+Vsc＝3V0，聯(lián)立式(1)～(4)可得：由于方程(5)的系數(shù)矩陣的秩為2，因此該方程無唯一解，其解可表示為：式中：k為待定系數(shù)。由于占空比0≤djN≤1，因此Vsj0/Vdc≤k≤1+Vsj0/Vdc(其中j＝a,b,c)。式(6)表明了各橋臂上開關(guān)的占空比僅與直流側(cè)電容電壓Vdc和各相電源電壓的零和分量Vsj0有關(guān)。由于對理想系統(tǒng)而言Vsj＝Vsj0，因此式(6)不僅適用于非理想系統(tǒng)，也適用于理想系統(tǒng)。單周控制目標(biāo)是使電網(wǎng)的功率因數(shù)為1，因此可將非線性負(fù)荷和有源濾波器的并聯(lián)組合等效為一純電阻。對于三相三線制SAPF，由于無零序電流通路，因此可將SAPF的單周控制目標(biāo)表示為：Vsj0＝Reisj(7)式中：j為下標(biāo)，j＝a,b,c；Re為非線性負(fù)荷和有源濾波器的并聯(lián)組合的等效電阻。式(7)表明了各相電源電流isj與各相電源電壓的零和分量Vsj0成正比。聯(lián)立式(6)、(7)可將單周控制的目標(biāo)表示為：式中：Vm＝kRsVdc/Re，它可由Vdc經(jīng)PI控制后獲得。由式(8)可知，單周控制器的參數(shù)具有不確定性，且該控制方法下SAPF的各橋臂上的開關(guān)都工作在高頻狀態(tài)，開關(guān)損耗較大。因此在該控制的基礎(chǔ)上引入了矢量運(yùn)算。(2)矢量運(yùn)算圖3為單周矢量控制的原理圖。由圖可見，該控制器主要由電壓區(qū)間選擇電路、電流選擇電路、引入PSO算法的PI控制器、驅(qū)動(dòng)信號生成電路等組成。1)電壓“零和分量”所在區(qū)域的選擇根據(jù)三相電網(wǎng)各相電壓的“零和分量”的過零點(diǎn)，可將1個(gè)周期劃分為6個(gè)區(qū)域。具體的劃分方法見表1。由表可見，通過對各相電壓“零和分量”正負(fù)性的判斷，就可得出其所在區(qū)域。表1三相電壓“零和分量”的區(qū)域劃分區(qū)域編號Vsa0Vsb0Vsc0I+-+II+--III++-IV-+-V-++VI--+2)輸出電流、控制規(guī)則的選擇根據(jù)電壓區(qū)域劃分的結(jié)果，可以得出各區(qū)間上電流選擇電路的輸出電流、基于單周矢量控制的控制規(guī)則。以區(qū)域I為例，由以上分析知Vsb0<0，則dbN＝1，結(jié)合式(7)、(8)可得該區(qū)域內(nèi)的單周矢量控制的控制目標(biāo)為：其它區(qū)間上的控制方程以此類推。因此可以得到各區(qū)域上的統(tǒng)一控制方程式為：式中：dj為各區(qū)間各相橋臂上的下橋臂開關(guān)的占空比，下標(biāo)j＝0,1,2；i1、i2為電流選擇電路的輸出電流；V′dc＝VdcRs/Re，可由Vdc經(jīng)PI控制后獲得。3)逆變器各橋臂開關(guān)狀態(tài)的確定根據(jù)電壓區(qū)域劃分的結(jié)果及基于單周矢量控制的控制方程(10)，就可確定逆變器上各橋臂開關(guān)的工作狀態(tài)SjP、SjN(其中j＝a,b,c)。仍以區(qū)間I為例，由以上分析可知，dbN＝1，即b相下橋臂的開關(guān)SbN始終導(dǎo)通，上橋臂的開關(guān)SbP始終關(guān)斷。對a相和c相而言，當(dāng)復(fù)位積分器的值分別上升到V′dc-Rsisa和V′dc-Rsisc時(shí)，下橋臂上的開關(guān)由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通，上橋臂上的開關(guān)狀態(tài)與之相反。表2為各區(qū)域上所對應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)。表2各區(qū)域上所對應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)(3)PSO優(yōu)化的PI控制SAPF的補(bǔ)償電流及其主要元件的損耗都與直流側(cè)電壓有關(guān)，保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定是保證SAPF補(bǔ)償能力和降低損耗的關(guān)鍵。直流側(cè)電壓一般采用PI控制。但由于傳統(tǒng)的PI控制僅適合線性定常系統(tǒng)，而對非線性或時(shí)變系統(tǒng)的適應(yīng)性較差，因此本發(fā)明采用PSO優(yōu)化算法對PI控制參數(shù)進(jìn)行在線優(yōu)化處理，以便提高直流側(cè)電壓Vdc的穩(wěn)定性。PSO算法采用的是速度-位置搜索模型。假設(shè)d維搜索空間內(nèi)，群體由m個(gè)粒子組成,第i個(gè)粒子的位置為Xi＝(xi1,xi2,…xid)，速度為Vi＝(vi1,vi2,…vid)，第i個(gè)粒子當(dāng)前找到的最好位置為Pbest＝(pi1,pi2,…pid)(稱為個(gè)體極值)，群體中所有粒子當(dāng)前找到的最好位置為Gbest＝(pg1,pg2,…pgd)(稱為全局極值)。粒子通過跟蹤這兩個(gè)極值，對本身的速度和位置不斷進(jìn)行更新，并通過適應(yīng)值函數(shù)對粒子當(dāng)前位置Xi的優(yōu)劣做出評價(jià)，直到滿足設(shè)定的終止條件。對于第k+1次迭代，PSO中每個(gè)粒子的速度和位置更新公式為：式中：i＝1,2,…,m為粒子標(biāo)識；j＝1,2,…,d為搜索空間維度；為第i個(gè)粒子第k次迭代的位置矢量的第j維分量；pij為第i個(gè)粒子個(gè)體極值Pbest的第j維分量；pgj為第i個(gè)粒子個(gè)體極值Gbest的第j維分量；c1、c2為加速系數(shù)，取值范圍為[0,4]；r1、r2為介于[0,1]間的隨機(jī)數(shù)；ω為慣性權(quán)重，它與粒子群搜索能力有關(guān)。此外，還要規(guī)定粒子的最大飛行速度vmax和最大搜索范圍xmax。為了使算法在初期有較好的優(yōu)化速度，在后期有足夠的尋優(yōu)精度，使用線性遞減策略對ω進(jìn)行優(yōu)化，也即：ω＝ωend+(ωstart-ωend)(Nmax-N)/Nmax(12)式中：ωstart、ωend分別為ω的初始值和最終值；Nmax、N分別為總的迭代次數(shù)和當(dāng)前迭代次數(shù)。為了驗(yàn)證基于單周矢量控制的SAPF補(bǔ)償諧波和無功電流的有效性，在Matlab/Simulink軟件平臺上搭建了三相SAPF控制系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖，并對其進(jìn)行了仿真分析。具體仿真參數(shù)為：三相電源為380V/50Hz；線路阻抗為R1＝0.2Ω，L1＝4.8mH；非線性負(fù)載為三相整流橋帶阻感負(fù)載RL＝90Ω，LL＝180mH；SAPF輸出濾波電感L0＝2mH，直流側(cè)電容值為470μF，直流側(cè)電容電壓的期望值Vref＝0.8kV；PWM整流器的開關(guān)頻率為50kHz；PSO算法參數(shù)：d＝2，Nmax＝10，m＝10，c1＝c2＝1.49，vmax＝5，xmax＝120，ωstart＝0.9，ωend＝0.4。仿真時(shí)間為0.5s，且在0.2s時(shí)投入SAPF。(1)理想電源下的仿真分析圖5為理想電源下帶有非線性負(fù)荷的SAPF仿真曲線。其中：圖5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別為SAPF補(bǔ)償前(0～0.2s)a相電源電流、本發(fā)明方法下補(bǔ)償后(0.2～0.5s)a相電源電流、傳統(tǒng)單周控制方法下補(bǔ)償后a相電源電流、本發(fā)明方法下補(bǔ)償后a相電源電壓和電流、采用傳統(tǒng)的PI控制與本發(fā)明方法下直流側(cè)電容電壓的對比波形圖。由圖5(a)可見，未投入SAPF前，電網(wǎng)電流中的諧波含量很大，總的諧波畸變率(THD)為25.60％；對比圖5(b)、(c)可見，相比于傳統(tǒng)的單周控制，本發(fā)明的控制效果更佳，經(jīng)SAPF濾波后諧波含量大大降低，THD達(dá)到了3.88％，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)THD<5％的要求；由圖5(d)可見，經(jīng)SAPF補(bǔ)償后電網(wǎng)的功率因數(shù)接近1，達(dá)到了單周控制的目標(biāo)；由圖5(e)可見，相比于傳統(tǒng)的PI控制，引入PSO優(yōu)化算法后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性更好。(2)三相對稱電壓含有諧波時(shí)情況各相電源電壓中均加入幅值為50V的5次諧波、幅值為20V的7次諧波、幅值為10V的19次諧波。圖6為電源電壓帶有諧波時(shí)本發(fā)明方法下SAPF補(bǔ)償后a相電壓與電流波形。由圖可見，經(jīng)SAPF補(bǔ)償后，電源電流可近似為正弦波，且電網(wǎng)的功率因數(shù)近似為1，達(dá)到單周控制的目標(biāo)。(3)三相不對稱電壓時(shí)情況三相不對稱電壓分別為：Vsa＝220∠0°V，Vsb＝190∠-120°V，Vsc＝220∠120°V。圖7(a)、(b)、(c)分別為采用本發(fā)明方法下SAPF補(bǔ)償后a、b、c三相的電源電壓和電流。由前述分析理論可知，理論上三相電源電流和電壓的相角差分別為-2.31°、0°、2.31°。由圖7可見，仿真得到的三相電源電流和電壓的相角差分別為-3.51°、-1.41°、1.01°。因此，可看出仿真值與理論值基本相同，這也驗(yàn)證了此時(shí)電網(wǎng)的功率因數(shù)近似為1。(4)單相短路接地發(fā)生時(shí)情況非線性負(fù)載為全控整流橋帶阻感負(fù)載RL＝40Ω，LL＝180mH；各相電壓分別為：Vsa＝220∠0°V，Vsb＝0V(即b相短路接地)，Vsc＝242∠160°V。圖8為b相發(fā)生單相短路接地時(shí)的電流。其中：圖8(a)、(b)分別為本發(fā)明方法下SAPF補(bǔ)償前、后的b相電流。由圖8可見，經(jīng)SAPF補(bǔ)償后b相的電流近似為正弦波。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3