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：?jiǎn)沃芸刂?；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(lái)，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(lái)越廣，它所產(chǎn)生的諧波和無(wú)功功率給電網(wǎng)帶來(lái)的各種危害也越來(lái)越大。為了抑制高次諧波和補(bǔ)償無(wú)功功率，近幾年出現(xiàn)了許多新型的無(wú)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(wú)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(lái)說(shuō)，波形質(zhì)量，開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率的不斷提高，波形質(zhì)量問(wèn)題己得到了較好的解決，而開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題卻日益嚴(yán)重，以電路拓?fù)涓倪M(jìn)為代表的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在解決開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題的同時(shí)也帶來(lái)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的問(wèn)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(kāi)關(guān)損耗，是一個(gè)值得探討的問(wèn)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(wú)差拍控制、變結(jié)構(gòu)控制等。這里簡(jiǎn)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(chēng)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)環(huán)式和磁通閉環(huán)式。磁通開(kāi)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(kāi)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(wèn)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(wú)功功率的吞吐。它不僅優(yōu)化開(kāi)關(guān)矢量，降低開(kāi)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(kāi)關(guān)矢量劃分為4類(lèi)：小開(kāi)關(guān)矢量，零開(kāi)關(guān)矢量，中開(kāi)關(guān)矢量，大開(kāi)關(guān)矢量（見(jiàn)圖1）。開(kāi)關(guān)矢量選擇及優(yōu)化的原則如下：

圖1    開(kāi)關(guān)矢量分布

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

    2)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，開(kāi)關(guān)矢量的選擇是對(duì)稱(chēng)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(kāi)關(guān)矢量和負(fù)開(kāi)關(guān)矢量的協(xié)調(diào)作用來(lái)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(jiǎn)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(kāi)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(lái)控制逆變器的開(kāi)關(guān)器件。與三角載波控制方式相比，該方法開(kāi)關(guān)損耗小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。但是，該方法使開(kāi)關(guān)頻率變化較大，容易引起脈沖電流和開(kāi)關(guān)噪聲。后來(lái)，為限定開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)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(lèi)，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(kāi)關(guān)頻率可能波動(dòng)很大，后者開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)合于下臂不動(dòng)，用其余兩相開(kāi)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(kāi)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_(kāi)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(kāi)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(kāi)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(chēng)積分復(fù)位控制（Integration Reset Control，簡(jiǎn)稱(chēng)IRC）作為一種非線性控制法，最早由美國(guó)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(guò)復(fù)位開(kāi)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(kāi)關(guān)，也可是其它可轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)變量形式的抽象信號(hào)。

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(kāi)關(guān)等。這種方法的基本思想是控制開(kāi)關(guān)占空比，在每個(gè)周期內(nèi)強(qiáng)迫開(kāi)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(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)逆變器，具有反應(yīng)快、開(kāi)關(guān)頻率恒定、魯棒性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)、控制電路簡(jiǎn)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(jiǎn)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(wú)源濾波器對(duì)負(fù)載的諧波電流進(jìn)行濾波，并提供一定的基波無(wú)功補(bǔ)償；而有源濾波器則起改善無(wú)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(wú)源濾波器特性的一些固有缺陷。這樣既可以改善無(wú)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(wú)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(wú)功理論為基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)中無(wú)功和諧波電流的檢測(cè)計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(duì)期望的電源電流實(shí)現(xiàn)閉環(huán)跟蹤控制，測(cè)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(jiǎn)稱(chēng)VSC)理論，對(duì)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(duì)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(jiǎn)單有效且易于實(shí)現(xiàn)的方法。

2.5    無(wú)差拍控制[5][6]

    無(wú)差拍控制（Dead Beat Control，簡(jiǎn)稱(chēng)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(cè)在關(guān)于取樣周期中心對(duì)稱(chēng)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(wú)差拍控制逆變器也存在如下諸多缺點(diǎn)：

    1）對(duì)系統(tǒng)參數(shù)依賴(lài)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(duì)硬件要求高。

    為克服DBC的以上種種不足，國(guó)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(cè)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(cè)器分別觀測(cè)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(duì)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(guò)反饋環(huán)節(jié)和控制變流器的開(kāi)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(kāi)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(wú)畸變傅里葉展開(kāi)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(méi)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(jiàn)表1，結(jié)果見(jiàn)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(wú)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(shí)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(duì)無(wú)功電流和高次諧波電流的有效補(bǔ)償，需要開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率會(huì)受限制，原因?yàn)?

    1）大功率半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)頻率較低；

    2）高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致較大的開(kāi)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(hào)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(cuò)開(kāi)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(gè)波形分別為L_x個(gè)變流器單元的輸出，上述L_x個(gè)變流器單元交流輸出疊加形成整個(gè)組合變流器的輸出波形，如圖7(c)所示。對(duì)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(gè)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(jiàn)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(gè)三角載波的相位關(guān)系

(b)    L_x個(gè)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(kāi)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(shí)，相移SPWM變流器具有良好的動(dòng)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而在許多大功率場(chǎng)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(jiǎn)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(chēng)為相移SPWM。這就解決了大功率裝置與器件開(kāi)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(chǎng)合中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3    結(jié)語(yǔ)

    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(kāi)關(guān)頻率，減小APF的開(kāi)關(guān)損耗；單周控制在一個(gè)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(jiǎn)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(duì)系統(tǒng)的變化和外部干擾不敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性；無(wú)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(jià)格也必將下降。