有源電力濾波器控制策略綜述

單周控制法作為一種新型非線性控制技術(shù)，它可應(yīng)用于PWM控制、軟開關(guān)等。這種方法的基本思想是控制開關(guān)占空比，在每個(gè)周期內(nèi)強(qiáng)迫開關(guān)變量的平均值與控制參考量相等或成比例。單周控制在控制電路中不需要誤差綜合，它能在一個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，前一周期的誤差不會(huì)帶到下一周期，因此，克服了傳統(tǒng)的PWM控制方法的不足，適用于各種脈寬調(diào)制軟開關(guān)等開關(guān)逆變器，具有反應(yīng)快、開關(guān)頻率恒定、魯棒性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)、控制電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，此外，單周控制還能優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)、減小畸變和抑制電源干擾，是一種很有前途的控制方法。在DC/DC變換器中已經(jīng)得到充分的研究。作為一種調(diào)制方式，該技術(shù)最近在向三相變流器方面，如電流型PFC、電壓型APF探索。IRC具有電路簡單可靠、控制效果好的優(yōu)點(diǎn)、不僅具有重要的理論意義，而且也具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

2.4 變結(jié)構(gòu)控制[3][5]

目前，混合型電力濾波器（HAPF）是一種效率較高，應(yīng)用極為廣泛的APF。其中，無源濾波器對負(fù)載的諧波電流進(jìn)行濾波，并提供一定的基波無功補(bǔ)償；而有源濾波器則起改善無源濾波器特性的作用。因而，以非常小容量的有源濾波器，就可以彌補(bǔ)無源濾波器特性的一些固有缺陷。這樣既可以改善無源濾波器的濾波效果，防止其與電網(wǎng)之間發(fā)生諧振，又避免了并聯(lián)有源濾波器的諧波電流注入并聯(lián)的無源濾波器形成諧波短路的現(xiàn)象，提高了有源濾波器的有限容量的利用率。而HAPF的控制策略，大多以上世紀(jì)80年代初H．Akagi等人提出的瞬時(shí)無功理論為基礎(chǔ)。通過對電力系統(tǒng)中無功和諧波電流的檢測計(jì)算來實(shí)現(xiàn)無功功率和諧波電流的補(bǔ)償。不僅計(jì)算、控制復(fù)雜，而且由于未對期望的電源電流實(shí)現(xiàn)閉環(huán)跟蹤控制，測量和計(jì)算誤差得不到補(bǔ)償，影響了其補(bǔ)償性能的提高。變結(jié)構(gòu)控制(Variable Structure Control，簡稱VSC)理論，對系統(tǒng)的變化和外部干擾不敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性，文獻(xiàn)[4]應(yīng)用VSC理論，在建立空間矢量數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，推出一種混合型電力濾波器的變結(jié)構(gòu)控制方法，避免了較復(fù)雜的諧波電流計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對電源電流和電容電壓的閉環(huán)控制，具有良好的控制性能，是一種簡單有效且易于實(shí)現(xiàn)的方法。

2.5 無差拍控制[5][6]

無差拍控制（Dead Beat Control，簡稱DBC）是一種全數(shù)字化的控制技術(shù)，其基本思想是將輸出參數(shù)波形等間隔地劃分為若干個(gè)取樣周期。根據(jù)電路在每一取樣周期的起始值，預(yù)測在關(guān)于取樣周期中心對稱的方波脈沖作用下某電路變量在取樣周期末尾時(shí)的值。適當(dāng)控制方波脈沖的極性與寬度，就能使輸出波形與要求的參數(shù)波形重合。不斷調(diào)整每一取樣周期內(nèi)方波脈沖的極性與寬度，就能獲得諧波失真小的輸出。其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快，易于計(jì)算機(jī)執(zhí)行。無差拍控制逆變器也存在如下諸多缺點(diǎn)：

1）對系統(tǒng)參數(shù)依賴性較大；

2）魯俸性較差；

3）瞬態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量大；

4）計(jì)算的實(shí)時(shí)性強(qiáng)，對硬件要求高。

為克服DBC的以上種種不足，國內(nèi)外學(xué)者做了一些大膽嘗試。文獻(xiàn)[7]中提出了一種帶負(fù)載電流觀測器的DBC，假定負(fù)載電流變化率在采樣間隔保持不變，用兩個(gè)二階觀測器分別觀測狀態(tài)變量（通常為輸出電壓和濾波電感電流）和負(fù)載電流，提高了對不同負(fù)載性質(zhì)的適應(yīng)性。隨著數(shù)字信號(hào)處理單片機(jī)(DSP)應(yīng)用的不斷普及，這是一種很有前途的控制方法。在APF中，跟蹤參考信號(hào)的控制方法是決定有源濾波器補(bǔ)償質(zhì)量的關(guān)鍵。因?yàn)?，只有求得補(bǔ)償信號(hào)參考值后，才能通過反饋環(huán)節(jié)和控制變流器的開關(guān)元件使變流器產(chǎn)生與參考信號(hào)相等的實(shí)際信號(hào)。文獻(xiàn)[8]表明：用基于DBC的APF變流器的輸出可以很好地跟蹤參考諧波電壓信號(hào)，使負(fù)載端的電壓波形接近于正弦波，這種APF即使在開關(guān)頻率比較低的情況下也有著良好的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)。

2.6 基于單位功率因數(shù)(UPF)的控制策略

該控制策略的目的是使非線性負(fù)載和濾波器的并聯(lián)等效為一電阻性負(fù)載。假設(shè)電網(wǎng)電壓無畸變傅里葉展開為

u_s=U_sinωt（1）

如加上濾波器后負(fù)載側(cè)的輸入阻抗呈電阻性則補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流可表示為

i_s=ku_s=kUsinωt（2）

式中：k為復(fù)合非線性負(fù)載和濾波器的組合電導(dǎo)。

電網(wǎng)電流是與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波且沒有諧波成分，功率因數(shù)為1（單位功率因數(shù)）。為驗(yàn)證本文所提的基于單位功率因數(shù)控制策略，利用Matlab構(gòu)造圖3所示的實(shí)驗(yàn)電路，相應(yīng)參數(shù)見表1，結(jié)果見圖4，圖5及圖6。

表1 三相整流電路的參數(shù)

圖3 三相整流電路原理圖

圖4 補(bǔ)償前的相電流（50A/格）與相電壓（50V/格）

圖5 APF提供的補(bǔ)償電流（2A/格）

圖6 補(bǔ)償后的電源電流波形(5A/格)