有源電力濾波器控制策略綜述

摘要：針對空間矢量最優(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)時檢測逆變器的輸出、并與跟蹤目標(biāo)進(jìn)行比較，當(dāng)偏差超出允許的邊帶時，控制器動作，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)損耗問題的同時也帶來電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的問題，對復(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，是一個值得探討的問題。

    針對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。它以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機(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。此法從電動機(jī)的角度出發(fā)，把逆變器和電機(jī)看作一個整體，使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場。通過控制磁通或電壓矢量導(dǎo)通時間，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)法用兩個非零矢量和一個零矢量合成一個等效的電壓矢量，若采樣時間足夠小，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，定子電阻影響大的問題，減小了電機(jī)的脈動和噪音。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，只有一個開關(guān)函數(shù)變動，而且變動值循環(huán)；

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

    3)零矢量或等效零矢量的作用時間是等分分配的；

    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。

    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，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適當(dāng)?shù)拈_關(guān)去獨(dú)立控制相應(yīng)的兩個相間電流，不需估計阻抗值即可實(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，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)到跟蹤指令信號的目的。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時鐘組成，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。

圖2    單周控制原理圖  [!--empirenews.page--]

    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，它能在一個周期內(nèi)自動消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，前一周期的誤差不會帶到下一周期，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算來實(shí)現(xiàn)無功功率和諧波電流的補(bǔ)償。不僅計算、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)是動態(tài)響應(yīng)很快，易于計算機(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）計算的實(shí)時性強(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)生與參考信號相等的實(shí)際信號。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，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)  [!--empirenews.page--]

2.7    組合變流器相移SPWM

    有源濾波和無功補(bǔ)償裝置要求具有良好的調(diào)節(jié)性能和足夠的輸出功率，以提供電流的超前和滯后補(bǔ)償，同時要求系統(tǒng)具有足夠的頻帶寬度以達(dá)到消除高次諧波的目的。為了實(shí)現(xiàn)對無功電流和高次諧波電流的有效補(bǔ)償，需要開關(guān)器件工作在較高的頻率下。但大功率正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）變流器開關(guān)頻率會受限制，原因?yàn)?

    1）大功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率較低；

    2）高的開關(guān)頻率會導(dǎo)致較大的開關(guān)損耗，降低系統(tǒng)效率。

    而多重化的功率變換器調(diào)節(jié)性能較差，不能完全滿足現(xiàn)代電網(wǎng)的要求。為此，由本文作者之一和加拿大B.T.Ooi教授共同提出[9]了組合變流器相移SPWM技術(shù)。相移SPWM技術(shù)的基本思想是：在變流器單元數(shù)為L_x的電壓型SPWM組合裝置中，各變流器單元采用共同的調(diào)制波信號s_m，其頻率為f_m。各變流器單元的三角載波頻率為fc，將各三角載波的相位相互錯開三角載波周期的1/L_x，如圖7(a)所示(變流器單元數(shù)L_x=5，SPWM頻率調(diào)制比f_c/f_m=3，幅度調(diào)制比m_a=0.8)。圖7(b)所示的L_x個波形分別為L_x個變流器單元的輸出，上述L_x個變流器單元交流輸出疊加形成整個組合變流器的輸出波形，如圖7(c)所示。對輸出進(jìn)行頻譜分析，變流器單元之一的輸出波形頻譜如圖7(d)所示，疊加后整個組合變流器輸出波形頻譜如圖7(e)。比較圖7(d)和圖7(e)可見各變流器單元輸出疊加后形成的組合變流器總輸出波形中諧波得到了有效的抑制。

(a)    L_x個三角載波的相位關(guān)系

(b)    L_x個變流器單元的輸出

(c)    組合變流器輸出波形

(d)    變流器單元輸出波形頻譜

(e)    組合變流器輸出波形頻譜

圖7組合變流器相移SPWM技術(shù)

    該技術(shù)的實(shí)質(zhì)是多重化和PWM技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，能夠在低開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)大功率變流器SPWM技術(shù)，而且顯著地減少了輸出諧波，改善了輸出波形，從而減少濾波器的容量。同時，相移SPWM變流器具有良好的動態(tài)響應(yīng)和較高的傳輸頻帶，使得許多先進(jìn)的控制手段得以應(yīng)用，控制性能得以提高。電流型變流器由于具有直接提供電流，運(yùn)行可靠，保護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，而在許多大功率場合得到應(yīng)用。例如：電網(wǎng)有源補(bǔ)償裝置，如果采用電流型相移SPWM技術(shù)可以達(dá)到結(jié)構(gòu)簡單，控制特性好，響應(yīng)快，頻帶寬，消除諧波能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]中應(yīng)用于SVG和SMES的這項(xiàng)技術(shù)稱為相移SPWM。這就解決了大功率裝置與器件開關(guān)頻率較低的矛盾，可使GTO等特大功率器件組成的變流器用于APF裝置。因此，這種技術(shù)在APF等大功率場合中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3    結(jié)語

    本文提及的幾種比較新穎的APF控制策略。在電壓矢量基礎(chǔ)上實(shí)行滯環(huán)電流控制可在同樣的控制精度下，有效地降低開關(guān)頻率，減小APF的開關(guān)損耗；單周控制在一個周期內(nèi)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，具有反應(yīng)快、抗電源干擾、控制電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前途的控制方法；變結(jié)構(gòu)控制對系統(tǒng)的變化和外部干擾不敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性；無差拍控制是一種全數(shù)字化的控制技術(shù)。有關(guān)APF的控制策略正隨著DSP技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展而不斷涌現(xiàn)。隨著控制策略的改進(jìn)，APF的特性也將不斷提高，而相應(yīng)的價格也必將下降。