矢量变换在APF中的运用

－：前言
   基于随频变参的控制算法，已在我的APF实验样机（电压38V电流10A）上取得部分成功。其升级算法（运算频率更多）原本已完成，正准备实验。但是，随频变参算法对频率变化特别敏感，在电网频率变化的情况下，其控制效果会出现大幅下降。为解决该问题，本人结合瞬时功率计算（或矢量变化）重新构建了全新的控制策略。
二：概述
    如同我在《三相有源滤波器、PWM整流器、逆变器的关系》一文中的论述，该的控制策略可以同时适用于APF和PWM整流器。如图1，整个控制环路的仿真有以下四个模块：
1，controller，完成所有的控制运算。
2，source，为380V三相电压源，模拟电网频率变化，模拟电网电压受负载影响，提供电压源的电压信号SV（量化后的）和电流信号。
3，Load，为三相二极管整流负载，提供负载电流信号LI（量化后的）。整流后，直流侧电压在480V左右，负载为周期性负载（前半周时间为0.6Ω，后为0.8Ω，周期0.2s）。
4，APF，为APF的硬件部分，包括三相电感、直流电容、IGBT和驱动，提供APF电流信号AI（量化后的）和直流母线上的电压信号CV。
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图1：控制策略概述



三：controller的结构

      如图2所示，按照矢量控制的坐标变化流程，controller内部的所有计算分为以下7个流程：
1，三相静止坐标系下的计算。
2，3s-2s变换。
3，两相静止坐标系下的计算，目前图中该处无运算。
4，2s-2r变换，即完成负载和APF的瞬时有功和瞬时无功的计算。
5，两相旋转坐标系下的计算，所有的闭环控制运算均在此完成，包括直流电压CV的控制、LI和AI的控制、APF的过载保护。
6，2r-2s变换。
7，2s-3s变换。
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图2：Controller的结构


四：controller的内部模块的功能详解

模块1：
     如果三相电压信号SV是THD＝0的50HZ正弦信号，那么可以直接通过3s-2s变换获得一对标准的正弦信号，作为2s-2r变换和2r-2s变换这两个流程的基准。但实际上，SV信号的THD并不标准，其THD值就很大（≧3％）。为了获得与SV同相位的标准正弦信号，目前业界普遍采用的是“锁相环”＋“正弦波表”的技术，但该技术先天的缺陷使其不能克服电网电压频率的长期波动带来的影响。
     在全新的控制策略中，模块1是本人设计的一个四阶滤波器，49HZ～51HZ范围内的波形能够零相移零损耗地通过，而对高次谐波有大幅度的衰减。如图3，在APF未接入前电源电压受负载影响，SV信号THD＝4.02%，经过模块1处理后变为THD＝0.02%的标准正弦波。
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图3：模块1的滤波效果

三相有源滤波器、PWM整流器、逆变器的关系
http://bbs.gkong.com/dispbbs.asp?Boardid=37&id=234296&replyid=1321150#1321150

模块2：
直流母线上的电压CV进行闭环控制。其工作原理是：当CV低于设定值时，增加电网有功输出，增加部分到直流电力电容；当CV高于设定值时，减少电网有功输出，减少部分由电力电容补充，极限情况电网输出有功可以为负。其作用效果如图4所示。
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图4：负载变化所引起的电网电流变化和直流电压变化

模块3：
获得有功给定、无功给定、有功反馈、无功反馈。模块1的输出和负载有功直流分量合成有功给定。当不补偿负载无功功率时，无功给定为负载无功直流分量；当补偿负载无功功率时，无功给定为0。有功反馈为负载有功与APF有功的和，无功反馈为负载无功与APF无功的和，这种设计确保了程序设计对PWM整流控制的通用性。
该模块的关键是滤波环节，其作用是虑除负载瞬时有功和无功中的AC分量，获得DC分量。在典型的设计中，该处用以惯性环节。其问题在于，时间常数越大，滤波越重，输出含AC分量越小，使后级能获得更好的THD，但是响应速度越慢；反之，如减小时间常数，以保证相应速度，又会使THD更差。当然，这个矛盾是必然存在的，不过在我的设计中该处使用了二阶滤波环节来缓和这个矛盾，使其能有更好的平衡效果。