[发明专利]三相四开关有源电力滤波器的新型控制方法

说明书

技术领域

本发明属于非线性控制领域，尤其涉及一种基于多输入多输出反馈线性化和空间矢量脉宽调制的三相四开关有源电力滤波器的新型控制方法。

背景技术

有源电力滤波器(APF)为一种可实现谐波抑制和动态无功补偿的新型电力电子装置，因其突出的优点得到了广泛的研究和应用。近年来，由于电力电子系统可靠性研究得到重视，三相四开关有源电力滤波器(TFAPF)作为六开关APF 一种容错拓扑结构，得到专家学者们的关注。同时，TFAPF 还具有小型低成本的特点，可视为一种经济型 APF 结构。

三相四开关变换器可以和三相六开关变换器实现相同的功能，并将其应用在电机变频器和整流器上。近年来，一些专家学者将三相四开关变换器应用到 APF 中，分别研究了TFAPF 的滞环控制问题和SVPWM调制问题。提出了基于 PI 神经元网络的控制方法，能够实时调整控制参数至最佳状态。由此可见，目前对于 TFAPF，其研究热点聚焦于“容错拓扑重构”、“调制策略”（滞环控制或SVPWM 调制）、“PI或改进PI控制”等方面。对于“TFAPF的非线性控制问题”，国内外均没有引起足够的关注和重视。通过将非线性控制理论应用于 TFAPF 中，可更好地结合TFAPF 本质非线性的特点，能够进一步提高 APF 控制系统的性能。

反馈线性化是以微分几何为基础的非线性控制方法，其与普通线性化的根本区别在于，反馈线性化并不是通过系统的线性逼近而是通过状态变换和反馈得到的。在线性化过程中没有忽略掉任何高阶非线性项，因此，是精确且整体的，即线性化对变换有定义的整个区域都适用。该方法已经成功的应用于 PWM 整流器和三相六开关 APF 上。

发明内容

本发明就是针对上述问题，设计了一种基于多输入多输出反馈线性化和空间矢量脉宽调制的三相四开关有源电力滤波器的新型控制方法，该方法首先推导出了三相四开关有源电力滤波器在 d-q 同步旋转坐标系下的数学模型。在此基础上，应用多输入-多输出反馈线性化的控制方法，实现了d-q 坐标系下的有功电流和无功电流解耦控制。通过选取适当的反馈系数，得到有源电力滤波器交流侧的指令电压，采用三相四开关的空间电压矢量脉宽调制技术对指令电压进行逼近。本发明采用的技术方案是，一种三相四开关有源电力滤波器的新型控制方法，包括四开关 SVPWM 控制器、非线性负载、控制芯片。所述的四开关 SVPWM 控制器，不存在零矢量，需要用 2 个相反的基本电压矢量来合成零矢量。可以提高直流侧电压利用率，减少电网电流中开关频率处的谐波含量。

所述的非线性负载由三相二极管整流桥及其直流侧电阻构成，谐波为6k次，且5、7、11和13次等低次谐波为主。

所述的控制芯片，选用2片 DSP TMS320F2812 作为核心控制芯片，完成电压、电流采样、基波运算、电流闭环控制等处理功能。逆变器功率器件采用英飞凌型号FP100R12WKT4的IGBT，额定电压为1200V，额定电流为100A。

本发明的有益效果是，该三相四开关有源电力滤波器的新型控制方法，通过采用MIMO 反馈线性化控制，实现了原系统的解耦，简化了控制策略，优化了TFAPF 的谐波抑制效果。由于采用了SVPWM 调制技术，提高了直流侧电压的利用率，同时，减少了开关频率谐波含量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。 图 1 是本发明电路原理框图。

具体实施方式

如图所示，本发明的三相四开关有源电力滤波器的新型控制方法，包括四开关 SVPWM 控制器、非线性负载、控制芯片。

所述的四开关 SVPWM 控制器，不存在零矢量，需要用 2 个相反的基本电压矢量来合成零矢量。为了减少这2个电压矢量引起的电流波动，方便编程实现，选择 V0和 V2这 2 个幅值较小的电压矢量。为了减少开关次数和抑制谐波，确定开关模式的分配原则每一开关周期以 V0开始和结束；同一桥臂上开关器件的状态只改变两次，得到“七段式”四开关 SVPWM 波形。

所述的非线性负载由三相二极管整流桥及其直流侧电阻构成，由于电压与电流不成线性关系，在负载的投入、运行过程中，电压和电流的关系是经常变化的，以此产生谐波，作为谐波源，谐波为6k次，且5、7、11和13次等低次谐波为主。