三電平四橋臂有源電力濾波器的預測電流控制研究

侯文寶，李德路

（江蘇建筑職業技術學院，江蘇 徐州 221116）

三電平四橋臂有源電力濾波器的預測電流控制研究

侯文寶，李德路

（江蘇建筑職業技術學院，江蘇 徐州 221116）

為解決三電平四橋臂結構開關矢量多、計算量大及控制復雜等問題，重點研究適用于三電平四橋臂結構的電流預測控制策略，并通過建立Matlab模型，進行理論分析和仿真研究。仿真和實驗結果表明：采用預測電流控制方法的有源電力濾波器對諧波電流和中線電流有較好的補償效果，并能有效地控制直流側電壓平衡。

有源電力濾波器；三電平四橋臂；預測電流控制；Matlab模型

0 引 言

有源電力濾波器（active power filter，APF）可以有效抑制電網諧波和補償無功功率，和傳統的無源LC濾波器相比，具有受電網參數影響小、動態響應速度快等優點。將多電平技術應用于APF裝置的優點是可以用于電壓較高的工作環境，降低了主功率器件的電壓應力，減少了輸出電壓的諧波成分，降低了開關頻率和電磁干擾[1-3]?？紤]到隨電平的增加控制復雜度和成本都將大幅增加，選用三電平四橋臂APF是比較合適的[4]。針對三相四線制系統，已有多種諧波電流補償策略，主要包括滯環補償控制法、載波調制法以及空間矢量法，但這些方法都各有缺陷[5]。本文深入研究了諧波電流預測控制，對基于諧波電流預測控制的三電平四橋臂APF進行了理論分析和仿真實驗，仿真實驗結果表明：預測電流控制算法在三相四線制供電系統中，對諧波電流補償、中線電流抑制和直流側電壓平衡控制具有很好的性能。

1 三電平四橋臂APF

圖1為APF三電平四橋臂電路拓撲結構，選取中線接入電感與三相接入電感一致，假設三相電源電壓為理想對稱，電路開關為理想元件，通斷控制由開關函數[7-8]來描述。

定義開關函數si（i=a，b，c，n），分別代表4個橋臂的開關狀態。

圖1 三電平四橋臂拓撲結構

可知，開關函數滿足

則每個橋臂中點對直流電容電壓中性點O的電壓為

式中：udc1、udc2——直流側上下電容電壓；

E=udc1+udc2——總電壓。

以電流ia、ib、ic、in為狀態變量列寫狀態方程可得：

假設系統電壓為理想電壓（不含諧波以及基波負序和基波零序分量），可得：

根據基爾霍夫電流定律，可得：

由式（6）、式（7）以及式（4）可得：

綜合式（5）～式（11）可得到ABC坐標系下三電平四橋臂APF的數學模型：

由式（12）可以看出，三電平四橋臂APF是一個非線性時變系統，4個開關函數決定了每相電流的大小和相電壓輸出，呈現強耦合性，4個中點電流又決定了直流側上、下電容的充放電狀態，必須要考慮中點電位穩定以及中點電流方向和開關狀態。

2 諧波電流預測控制

預測電流控制[9-12]主要是利用當前采樣時刻的狀態信息來計算下一采樣時刻指令電流值以及APF參考輸出電壓預測值，從而預測下一采樣周期補償電流并確定三電平四橋臂APF開關器件的開關指令，使APF的輸出電流準確快速地跟蹤指令電流的變化。

根據三電平四橋臂APF數學模型的推導可知：

對式（13）進行離散化可得到：

Ts——采樣周期。

電流預測控制的原理是先檢測系統諧波電流是否穩定，若穩定則說明諧波電流呈現周期性變化，可用前一個系統周期對應時刻的數據來代替k+1時刻的補償電流指令值若諧波電流不穩定，則表明諧波電流變化不具備周期性，需要利用二階外推插值法求取。

這里設定誤差限ε，當時，判定負載產生的諧波電流穩定，可用上一個周期指令電流值代替下一采樣時刻的指令電流值，即：

其中，N為一個工頻周期采樣點的個數，當補償器系統采樣頻率為10kHz時，N=0.02×104=200。

3 仿真和實驗分析

在Matlab/Simulink環境中，對系統進行仿真分析。仿真條件如下：電網電壓380 V，50 Hz；非線性負載為三相不控整流橋及A相接單相不控整流橋；APF接入點網的電感值為1mH，直流側電壓為1000V，采樣頻率10kHz；補償方案為實時補償。

圖2為諧波檢測模塊得到的指令電流和預測電流控制模塊得到的預測指令電流，由圖可知，預測指令電流超前一個開關周期，但電流拐點處計算誤差較大。圖3為三電平APF的直流側電壓上、下電容電壓和直流側電壓。

圖2 指令電流及其預測值

圖3 直流側上、下電容電壓和總電壓

圖4是A相輸出電流跟蹤相指令電流的情況。圖5為補償后的A相電流諧波分析。由圖可見，經過APF補償的相電流基本為正弦波。電流諧波畸變率（THD）從補償前的18.45%降為3.76%，有效抑制了諧波電流。

圖6為補償前后的中線電流?？梢钥闯?，補償前的中線電流幅值為20A，補償后中線電流的幅值和能量大大降低。

實驗使用TI公司的TMS320F28335型數字信號處理器，這是一款浮點DSP控制器，采用內部1.9V供電，外部3.3V供電，主頻150MHz。實驗平臺使用的具體實驗參數如下：電源線電壓120V/50Hz，系統阻抗忽略不計；非線性負載為三相不控整流橋，A相接單相不控整流橋，進線電感L=0.2mH；APF進線電感L=1.0mH，直流母線電壓Ud=320V，電容C=2400μF；開關頻率為5kHz。

圖6 中線電流補償前、后波形

圖7是補償前A相電流波形，波形的畸變很嚴重，而圖8是補償后的A相電流波形，從圖8可以看出，基本為正弦波，補償效果很好。

4 結束語

本文根據對三電平四橋臂APF的拓撲結構的分析建立了數學模型。對基于預測電流控制的三電平四橋臂有源濾波器進行理論分析和仿真實驗研究。仿真和實驗結果表明：預測電流控制算法物理意義明確，計算量小，完全能夠實現對諧波和中線電流的快速補償，并能有效地控制直流側電壓平衡。

圖7 補償前A相電流波形

圖8 補償后A相電流波形

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Research on predictive current control for three-level four-leg active power filter

HOU Wen-bao，LI De-lu
（Jiangsu Jianzhu Institute，Xuzhou 221116，China）

In order to overcome the problems of the numerous required switching vectors，massive computation，and complicated control scheme for three-level four-leg APF，this paper has focused on some research on predictive current control strategy.The paper establishes the Matlab model，and then the theoretical analysis and simulation research are carried out.The simulation and experimental results show that the APF with predictive current control strategy can compensate harmonic current and neutral current well and make the two capacitors voltage balance effectively.

active power filter；three-level four-leg；predictive current control；Matlab model

TN713；TP391.9；TP274；TM938.4

：A

：1674-5124（2014)06-0104-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.027

2014-04-17；

：2014-06-29

住房和城鄉建設部科技計劃項目（2012-K1-6）江蘇建筑職業技術學院校級課題資助項目（JYA14-16）

侯文寶（1982-），男，江蘇徐州市人，講師，碩士，研究方向為電力電子與電力傳動。