基于3D-SVPWM的不平衡负载无功补偿控制技术研究

第４８卷第１０期２０１４年１０月电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶ０１．４８，Ｎｏ．１０Ｏｃｔｏｂｅｒ２０１４

基于３Ｄ．ＳＶＰＷＭ的不平衡负载无功补偿控制技术研究刘丽华１，武建文２，张之昊２（１．北京电子科技职业学院，北京１０００１６ｏ

２．北京航空航天大学，自动化科学与电气工程学院，北京

摘要：空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）具有减少谐波、改善波形、提高电压利用率等优点，因此在无功补偿控制中得到了广泛应用。此处对三维（３Ｄ）ＳＶＰＷＭ技术的实现进行了详细介绍．提出了利用ＭａｆｌａｂＦｕｎｃｔｉｏｎ函数模块构建无功补偿装置四桥臂脉冲的控制方法。通过对三相四线制无功补偿装置应用中的仿真分析和实验，验证了该方法的正确性和可行性。关键词：无功补偿；空间矢量脉宽调制；三相四线中图分类号：ＴＭ７１４．３文献标识码：Ａ文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１４）１０＿００１６—０３

ＵｎｂａｌａｎｃｅｄＬｏａｄＲｅａｃｔｉｖｅＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅａｃｔｉｖｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｔｈｉｎｅ—ｐｈａｓｅ

ｆｏｕｒ－ｗｉｒｅ

ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔ：ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＢｅｉｊｉｎｇＰｒｏｍｏｔｉｎｇＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＲｅｆｏｒｍｏｆＴａｌｅｎｔＴｒａｉｎｉｎｇ（Ｎｏ．ＰＸＭ２０１４０１４３０－６＿００００８７＿００１４０３３３一ＦＣＧ）

１引言２３Ｄ．ＳＶＰＷＭ原理及技术实现在三相四线制供电系统中，存在大量非线性电力电子设备和不平衡负荷．导致电能质量和电能利用率降低。为改善供电质量。提高电能利用率，不平衡负载无功补偿一直是研究热点。在三相四线制无功补偿装置中．ＩＧＢＴ四桥臂触发脉冲产生的方法有ＳＶＰＷＭ、正弦脉宽调制（ＳＰＷＭ）等，与ＳＰＷＭ法相比，ＳＶＰＷＭ具有减少谐波、改善波形质量、提高电压利用率等优点［１－３１。故ＳＶＰＷＭ技术在三相四线制无功补偿中有着更广泛的应用。基于３Ｄ—ＳＶＰＷＭ技术。利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立三相四线制静止无功发生器（ＳＶＧ）的控制电路仿真模型．用软件编程方法产生了ＩＧＢＴ四桥臂的触发脉冲，对控制方法的特点及正确性进行了仿真，通过实验验证了该方法的正确性和可行性。基金项目：北京市促进人才培养综合改革（ＰＸＭ２０１４－０１４３．０６００００８７００１４０３３３ＦＣＧ）定稿日期：２０１４一０８—０７作者简介：刘丽华（１９７２一），女，吉林九台人，硕士，研究方向为无功补偿。１６图１示出三相四线制无功补偿装置拓扑结构。在三相四线制供电系统中，当负载不平衡时，控制无功补偿装置ＩＧＢＴ四桥臂脉冲的空间矢量轨迹就位于３Ｄ空间内。所以要在３Ｄ空间内用静止的电压矢量来合成所需的目标电压矢量％，最

终获得４个桥臂的ＰＷＭ控制信号。

图１无功补偿装置拓扑结构Ｆｉｇ．１Ｔｏｐｏｌｏｇｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｒｅａｃｔｉｖｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ四桥臂逆变器桥臂触发脉冲用软件编程简单易行，运算精度高，但是其运算量较大。编程利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ／Ｕｓｅｒ—ＤｅｆｉｎｅｄＦｕｎｃｔｉｏｎｓ／ＭａｆｌａｂＦｕｎｃｔｉｏｎ函

数，６个三棱柱判断用ｓｗｉｔｃｈ．ｃａｓｅ语句，四面体的选择、占空比的计算、过调制的判断、四桥臂的触发时间均用ｉｆ－ｅｌｓｅ—ｅｎｄ语句实现。

万方数据基于３Ｄ．ＳＶＰＷＭ的不平衡负栽无功补偿控制技术研究２．１扇区判断三维空间矢量图如图２所示。１６个空间矢量构成了具有７个层面的一个空间六棱柱．该六棱柱可分为６个三棱柱。每个三棱柱可分为４个四面体，共分成２４个四面体。逆变器的参考电压矢量由其相邻的３个非零矢量和２个零矢量合成。ｆｌＵ）入刁≮溉鞭／／１｜＼搽必渊颞＼华Ⅳ少傲７心Ｖｙ（００Ｉ¨（０００１）劁２３Ｄ空阃矢量图Ｆｉｇ．２３Ｄｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒｓｄｉａｇｒａｍ图３为３Ｄ空间矢量在ａ够平面上的投影，Ｘ表示第四桥臂的两种开关状态。可见，划分成６个三棱柱的依据与二维空间矢量调制一样，只由％在０［事平面的分量％，％决定，不受％影响。［２１１＿１，２２Ｊ－１，２］（１）Ａ＝１，否贝０Ａ＝Ｏ；若订ｕ。出一ｕ矗＞０，贝０Ｂ＝２，否贝０Ⅳｌ２３４５６２．２四面体判断利用‰，‰和Ｍ。的正负即可判断％所在的

四面体。假设％在三棱柱Ｉ内的四面体１中，非零电压矢量为（１０００），（１００１），（１ｌ０１）。当开关状态为（１０００）时，ｕ。＝魄，‰＝ｕ。＝０；当开关状态为（１Ｏ０

１）时，ｕ。＝０，Ｕｈｎ＝Ｕ。＝一乩；当开关状态为

（１１０

１）时，ｔｔ。＝／ｔｈｎ＝Ｏ，ａｍ＝一魄。从而可知当非零

电压矢量为（１０００），（１００１），（１１０１）时，要

满足“。≥０，‰≤０，ａｍ≤０。其余２３个四面体的判断方法与三棱柱Ｉ内的四面体１的判断方法相同。２．３电压空间矢量占空比计算每个四面体的３个非零矢量作用的占空比为：【ｄ，ｄ２ｄ３］Ｔ＝（魄）。１研‰‰％】’（２）式中：ｒ为每个四面体对应的一个矩阵。零矢量作用的占空比也的计算公式为：ｄｏ＝１一（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）（３）根据（ｄ，＋如＋ｄ３）≥１判断是否过调制，如果出现过调制，则３个非零电压矢量作用的占空比为：ｆｄｌ—ｄ１／（ｄｌ＋ｄ２＋ｄ３），ｄ２一ｄ２，（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３），．、１如一ｄｆｌ（ｄｌ＋如＋ｄ３）（４）

２．４开关顺序选择在每个开关周期ｔ内，可选择相对应的非零静止电压矢量合成目标空间矢量，然而开关顺序选择的不同，会影响开关次数和瞬时轨迹形状．从而直接影响到系统开关损耗和ＴＨＤ值的大小。这里采用对称开关选择顺序。使每次静止矢量的变化只改变一个桥臂的开关状态。以空间矢量位于三棱柱Ｉ内的四面体１为例进行分析。非零电压矢量为（１０００），（１００１），（１１０１），零矢量为

（１１１１），（００Ｏ０），在一个死内，共有８次开关状态的改变，静止电压矢量在每个瓦内对称分布，有效降低了输出波形的畸变量。开关状态如图４所示。

』、图４开关状态图

Ｆｉｇ．４Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｓｔａｇｅｄｉａｇｒａｍ非零矢量（１Ｏ００），（１００１），（１１

０１）及

零矢量的触发时刻分别为ｔ。，ｔ。，ｔｏ，ｔ。，如图４所示。其中分别定义ｔ。＝ｔｏｌ４，ｔｂ＝ｔ。＋￡１／２，ｔｃ＝ｔｂ＋ｔ２／２，ｔｏ＝ｔ。＋ｔＪ２。其余２３个四面体桥臂的触发时刻可分别根据画出的开关状态图求得。

１７

ａｂＣｎ

万方数据第４８卷第１０期２０１４年１０月电力电子技术

ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶ０１．４８。Ｎｏ．１０Ｏｃｔｏｂｅｒ２０１４

３建模与仿真在三相四线制电力系统的无功补偿中．ＳＶＧ利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建模实现【４－Ｓｌ。仿真参数为：无功补偿装置中控制电路的电容容量１．８ｍＦ．Ｕｄｃ＝７００Ｖ，电网电压三相对称，交流输出电压为２２０Ｖ／５０Ｈｚ；ＰＷＭ开关频率１０ｋＨｚ；ａ，ｂ，ｃ相及中线滤波电感和电阻分别为１２ｍＨ，０．０１Ｑ。负载为三相桥式整流并联三相不对称感性负载．ａ相感性负载：电感１０ｍＨ，串联电阻１０Ｑ：ｂ相感性负载：电感１０ｍＨ，串联电阻１５Ｑ；Ｃ相感性负载：电感１０ｍＨ，串联电阻１０Ｑ。三相负载不平衡时的负载电流及中线电流、控制电路输出电流、电容电压波形如图５所示。晶ｌ僦谳∽ｊ（，觥：Ｍ严ｔｌｍｓｔ／ｍＳａ）负载电流和中线电流（ｂ）无功补偿器输出电流ｆ／ｓ（ｃ）“流侧电容电，图５仿真波形Ｆｉｇ．５Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｖｅｆｏｒｍｓ４实验基于３Ｄ—ＳＶＰＷＭ控制技术研制的无功补偿装置ＳＶＧ的实验主要数据为：控制电路的电容容量为６．８ｍＦｘ２；Ｕｄｃ＝７００Ｖ；电网电压三相对称，交流输出电压２２０Ｖ／５０Ｈｚ；ＰＷＭ开关频率１０ｋＨｚ；ＳＶＧ控制电路中，ａ，ｂ，ｃ相及中线滤波电感分别为２．４ｍＨ；负载为三相不对称感性负载。其中ａ相感性负载：电感３７．５ｍＨ，并联电阻５０Ｑ；ｂ相感性负载：电感７５ｍＨ，并联电阻５０Ｑ；Ｃ相感性负载：电感７５ｍＨ，并联电阻５０Ｑ。补偿前后负载电流的波形如图６所示。

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图６实验波形Ｆｉｇ．６Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｗａｖｅｆｏｒｍｓ

５结论由仿真及实验可知：①基于三维空间矢量脉宽调制技术的不平衡负载无功补偿装置可以补偿无功电流、中线电流，而且补偿效果较好；②在直流母线侧电压相同的情况下．利用三维空间矢量脉宽调制技术的无功补偿装置，电压利用率较高；③与正弦脉宽调制技术相比，三维空间矢量脉宽调制技术在无功补偿装置中产生的谐波少。波形质量好：④三维空间矢量脉宽调制技术易于数字化实现，编程简单，运算精度高。

参考文献［１】张兴．高等电力电子技术【Ｍ】．北京：机械工业出版社．２０１１．罗耀华．许铁岩．一种三相四桥臂空间矢量脉宽调制方法［Ｊ】．电力电子技术，２０１３，４７（１）：６１—６３．ＣｈａｎｇｊｉａｎｇＺｈａｎ，ＡｒｕｌａｍｐａｌａｍＡ，Ｒａｍａｃｈａｎｄａｒａｍｕｒｔｈｙ