有源電力濾波器控制策略綜述

摘要：針對(duì)空間矢量最優(yōu)控制、定頻滯環(huán)電流控制、單周控制、變結(jié)構(gòu)控制等幾種目前在有源電力濾波器（APF）控制中較新、應(yīng)用較廣的方法進(jìn)行了對(duì)比分析，指出了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍。提出了基于單位功率因數(shù)(UPF)控制和組合變流器相移SPWM兩種控制策略，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：單周控制；變結(jié)構(gòu)控制；單位功率因數(shù)控制；組合變流器相移

1 引言

近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置的應(yīng)用越來越廣，它所產(chǎn)生的諧波和無功功率給電網(wǎng)帶來的各種危害也越來越大。為了抑制高次諧波和補(bǔ)償無功功率，近幾年出現(xiàn)了許多新型的無功補(bǔ)償裝置和有源濾波系統(tǒng)。這些裝置雖然各有不同，但有一點(diǎn)是共同的，即要求準(zhǔn)確快速地檢測(cè)出諧波和無功功率，從而實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)償。有源電力濾波器（APF）的關(guān)鍵技術(shù)之一就是逆變器的PWM技術(shù)，目前常用的PWM技術(shù)有：

1）基于正弦波對(duì)三角波調(diào)制的SPWM技術(shù)；

2）基于消除特定次數(shù)諧波的HEPWM技術(shù)；

3）基于電流滯環(huán)跟蹤控制的PWM技術(shù)。

第一種方法適用于模擬系統(tǒng)，在微機(jī)控制系統(tǒng)中很少采用；第二種方法需要預(yù)先計(jì)算出要消除的若干次指定諧波，在負(fù)載經(jīng)常變化的情況下，跟隨特性難以保證；第三種方法比較適合微機(jī)控制，其原理為實(shí)時(shí)檢測(cè)逆變器的輸出、并與跟蹤目標(biāo)進(jìn)行比較，當(dāng)偏差超出允許的邊帶時(shí)，控制器動(dòng)作，使偏差減小。

一般來說，波形質(zhì)量，開關(guān)損耗，電壓利用率等是衡量PWM方法的幾個(gè)重要指標(biāo)，隨著現(xiàn)代大功率器件開關(guān)頻率的不斷提高，波形質(zhì)量問題己得到了較好的解決，而開關(guān)損耗問題卻日益嚴(yán)重，以電路拓?fù)涓倪M(jìn)為代表的軟開關(guān)技術(shù)在解決開關(guān)損耗問題的同時(shí)也帶來電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的問題，對(duì)復(fù)雜電路尤其如此。所以，如何從PWM控制方法的優(yōu)化上減小開關(guān)損耗，是一個(gè)值得探討的問題。

針對(duì)APF的控制，相關(guān)文獻(xiàn)提出了各種控制方法，如正弦三角波調(diào)制，代價(jià)函數(shù)最小PWM法和空間矢量PWM法、單周控制、無差拍控制、變結(jié)構(gòu)控制等。這里簡單介紹幾種較好、較新的控制方法。

2 各種控制策略綜述

2.1 空間矢量最優(yōu)控制

空間電壓矢量法(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的理想磁通圓為基淮，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生實(shí)際磁通去迫近基準(zhǔn)圓磁通。由它們的比較結(jié)果決定逆變器的開關(guān)，形成PWM波形。此法從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，把逆變器和電機(jī)看作一個(gè)整體，使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)。通過控制磁通或電壓矢量導(dǎo)通時(shí)間，用盡可能多的多邊形磁通去逼近正弦磁通。具體方法又分為磁通開環(huán)式和磁通閉環(huán)式。磁通開環(huán)法用兩個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量合成一個(gè)等效的電壓矢量，若采樣時(shí)間足夠小，可合成任意電壓矢量。此法輸出電壓正弦波調(diào)制時(shí)提高l5％，諧波電流有效值之和接近最小。磁通閉環(huán)式引入磁通反饋，控制磁通的大小和變化的速度。在比較估算磁通和給定磁通后，根據(jù)誤差決定產(chǎn)生下一個(gè)電壓矢量，形成PWM波形。這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足，解決了電機(jī)低速時(shí)，定子電阻影響大的問題，減小了電機(jī)的脈動(dòng)和噪音。有的學(xué)者提出一種應(yīng)用于新型三電平PWM高頻整流系統(tǒng)的電壓空間矢量PWM調(diào)制控制方式[1]，使得系統(tǒng)不僅能控制有功功率的傳輸，而且能提供無功功率的吞吐。它不僅優(yōu)化開關(guān)矢量，降低開關(guān)頻率，提高直流側(cè)電壓利用率，減小AC側(cè)輸入電流的總諧波畸變率，而且在中點(diǎn)電位控制方面也易于實(shí)現(xiàn)。將開關(guān)矢量劃分為4類：小開關(guān)矢量，零開關(guān)矢量，中開關(guān)矢量，大開關(guān)矢量（見圖1）。開關(guān)矢量選擇及優(yōu)化的原則如下：

圖1 開關(guān)矢量分布

1)為了優(yōu)化開關(guān)頻率，開關(guān)矢量選擇應(yīng)該是每次開關(guān)矢量變化時(shí)，只有一個(gè)開關(guān)函數(shù)變動(dòng)，而且變動(dòng)值循環(huán)；

2)在一個(gè)開關(guān)周期中，開關(guān)矢量的選擇是對(duì)稱的；

3)零矢量或等效零矢量的作用時(shí)間是等分分配的；

4)考慮正開關(guān)矢量和負(fù)開關(guān)矢量的協(xié)調(diào)作用來平衡中點(diǎn)電位的浮動(dòng)。

基于電壓矢量的控制方法本身就有較高的直流電壓利用率和控制精度，利用該方法能方便地判定參考電壓矢量所在區(qū)域，從而應(yīng)用最優(yōu)電壓矢量進(jìn)行控制，使得SVPWM性能進(jìn)一步提高。

2．2 滯環(huán)電流控制

滯環(huán)電流控制是一種簡單的Bang-bang控制，它集電流控制與PWM于一體。實(shí)際電流與指令電流的上、下限相比較，交點(diǎn)作為開關(guān)點(diǎn)。指令電流的上、下限形成一個(gè)滯環(huán)。滯環(huán)電流控制具有以下特點(diǎn)：

1）滯環(huán)電流控制是基于電流暫態(tài)的控制，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)；

2）滯環(huán)電流控制本質(zhì)是一種隱含載波的變頻SPWM調(diào)制方式，在三相高功率因數(shù)整流器中，滯環(huán)控制的隱含載波頻率隨電網(wǎng)電壓做周期性變化，變化頻率為工頻的2倍；

3）滯環(huán)電流控制輸出頻譜范圍寬，濾波較困難，諧波能量均勻分布在較寬的頻帶范圍內(nèi)。

該方法將指令電流值與實(shí)際補(bǔ)償電流的差值輸入到具有滯環(huán)特性的比較器中，然后用比較器的輸出來控制逆變器的開關(guān)器件。與三角載波控制方式相比，該方法開關(guān)損耗小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。但是，該方法使開關(guān)頻率變化較大，容易引起脈沖電流和開關(guān)噪聲。后來，為限定開關(guān)頻率的最大值而提出了變滯環(huán)帶寬的改進(jìn)算法，這必將影響響應(yīng)速度和補(bǔ)償電流跟蹤精度。為了解決滯環(huán)電流控制變頻的缺點(diǎn)，仍有不少學(xué)者在探索改進(jìn)的方案，比如：限制最高開關(guān)頻率，通過改變滯環(huán)寬度實(shí)現(xiàn)恒頻控制等。

目前應(yīng)用于有源濾波器的電流控制方法一般有兩類，即滯環(huán)電流控制方法和三角波電流控制方法。前者精度較高且響應(yīng)快，但開關(guān)頻率可能波動(dòng)很大，后者開關(guān)頻率恒定，裝置安全性較高，但響應(yīng)較慢，精度較低。而基于電壓矢量的控制方法有較高的直流電壓利用率和控制精度。為解決既能保持恒定的開關(guān)頻率，有較高的直流電壓利用率，又能同時(shí)提高有源濾波器性能和效率的難題，有人提出一種新的基于優(yōu)化電壓矢量的有源濾波器定頻滯環(huán)電流控制方法[2]。它的主要原理是保持一相開關(guān)合于下臂不動(dòng)，用其余兩相開關(guān)去獨(dú)立控制相應(yīng)的相間電流，并不需要估計(jì)阻抗參數(shù)，便能實(shí)現(xiàn)兩相解耦，進(jìn)而在傳統(tǒng)的滯環(huán)控制中實(shí)現(xiàn)了開關(guān)定頻。該方法的特點(diǎn)，一是能快速正確判定參考電壓矢量的區(qū)域，從而選擇優(yōu)化電壓矢量去控制電流，二是可選擇逆變器中的兩個(gè)適當(dāng)?shù)拈_關(guān)去獨(dú)立控制相應(yīng)的兩個(gè)相間電流，不需估計(jì)阻抗值即可實(shí)現(xiàn)開關(guān)定頻化。在達(dá)到較高的控制精度、保證較高的輸出電壓的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了開關(guān)的定頻化，從而使有源濾波器的綜合性能有明顯提高。

2.3 單周控制

單周控制法，又稱積分復(fù)位控制（Integration Reset Control，簡稱IRC）作為一種非線性控制法，最早由美國學(xué)者Keyue M.Smedley和S1obodanCuk提出。該技術(shù)同時(shí)具有調(diào)制和控制的雙重性，通過復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達(dá)到跟蹤指令信號(hào)的目的。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時(shí)鐘組成，其中控制器可以是RS觸發(fā)器，其控制原理如圖2所示。圖2中，K可以是任何物理開關(guān)，也可是其它可轉(zhuǎn)化為開關(guān)變量形式的抽象信號(hào)。

圖2 單周控制原理圖