吳 峰，鄭建勇，梅 軍，王立峰

（1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京 210096；2.東南大學(xué)蘇州研究院電氣設(shè)備與自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘇州 215123）

有源電力濾波器APF（active power filter）作為能夠動(dòng)態(tài)消除諧波并且補(bǔ)償無(wú)功的電力電子設(shè)備，近年來(lái)越來(lái)越受到人們的普遍關(guān)注。APF通過改變其控制策略，可以針對(duì)不同諧波源進(jìn)行諧波治理。電壓源逆變器由于其固有的經(jīng)濟(jì)、高效和快速等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。補(bǔ)償效果主要由取決于檢測(cè)準(zhǔn)確度和控制精度。有源電力濾波器的電流跟蹤控制電路就是依據(jù)指令電流運(yùn)算電路得到的指令信號(hào)，通過控制主電路開關(guān)器件的開通與關(guān)斷使最終輸出電流能夠?qū)崟r(shí)跟蹤指令電流的變化。

當(dāng)今，APF應(yīng)用的脈沖寬度調(diào)制PWM（pulse width modulation）控制方法主要有以下幾種：采用滯環(huán)的控制方式，采用三角載波比較的控制方式，定時(shí)比較的控制方式和基于空間矢量的控制方式等。每種方式都各有其優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際工程中均有應(yīng)用。本文針對(duì)這幾種電流控制方式進(jìn)行了比較說(shuō)明，并在MATLAB／SIMULINK軟件中對(duì)有源電力濾波器應(yīng)用的三種控制策略進(jìn)行了仿真分析，并給出了開關(guān)頻率頻譜分析及電流跟蹤誤差的仿真波形，同時(shí)給出對(duì)應(yīng)不同控制算法的抑制開關(guān)頻率附近諧波的濾波器的設(shè)計(jì)原則。針對(duì)三角載波PWM控制策略搭建試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證控制算法的正確性，說(shuō)明有源濾波器良好的補(bǔ)償效果。

1 諧波電流檢測(cè)技術(shù)

諧波電流檢測(cè)技術(shù)的好壞對(duì)有源電力濾波器的性能有較大影響，兩個(gè)主要因素是檢測(cè)精度和延時(shí)。目前工程上常用的主流諧波檢測(cè)方法包括基于頻域分析的快速傅里葉變換檢測(cè)法［1］，基于瞬時(shí)功率理論的諧波電流檢測(cè)法［2，3］，基于自適應(yīng)干擾抵消原理的檢測(cè)法［4］，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)法［5］，基于Fryze時(shí)域分析的有功電流檢測(cè)法［6］等。

基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)法不受電網(wǎng)電壓波形畸變影響，在檢測(cè)電流諧波的同時(shí)還可以檢測(cè)無(wú)功，但是檢測(cè)延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短受低通濾波器影響，而且無(wú)法檢測(cè)出各次諧波，因此有一定的局限性?？焖俑道锶~變換檢測(cè)法檢測(cè)精度高，可以單獨(dú)檢測(cè)各次諧波，但是缺點(diǎn)明顯，其計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性較差，改進(jìn)的滑窗算法有一定的實(shí)用性。自適應(yīng)諧波電流檢測(cè)法同樣不受電網(wǎng)電壓波形畸變的影響，有良好的檢測(cè)精度，但是參考電壓幅值對(duì)檢測(cè)結(jié)果有較大影響，幅值較小時(shí)檢測(cè)精度高但動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢，因此在選取參考電壓信號(hào)時(shí)，既要考慮檢測(cè)精度，又要兼顧響應(yīng)時(shí)間。由學(xué)者Fryze提出，經(jīng)Buchholz和Dpenbrock改進(jìn)的FBD（fryze－Buchholz－Dpenbrock）法不需進(jìn)行復(fù)雜的矩陣變化，可以直接檢測(cè)出基波正序有功和無(wú)功分量，該方法可以用于三相三線或三相四線制線路，但此種方法目前僅停留在理論分析與仿真階段，尚未投入到工程應(yīng)用。

諧波檢測(cè)是研究和分析諧波問題的主要依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)，也是進(jìn)行諧波抑制的關(guān)鍵技術(shù)問題，相關(guān)研究工作仍在不斷推進(jìn)。

2 電流跟蹤PWM控制技術(shù)

電流跟蹤控制技術(shù)是APF的另一項(xiàng)核心技術(shù)，直接決定補(bǔ)償性能，其控制目標(biāo)要求使得逆變器輸出迅速、準(zhǔn)確地跟隨參考信號(hào)變化，具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性。

2.1 基于滯環(huán)的控制技術(shù)

滯環(huán)控制原理圖如圖1所示。補(bǔ)償電流的跟隨性能與滯環(huán)比較器的環(huán)寬H有著密切的關(guān)系。如果H值比較大，則開關(guān)頻率較低，雖然對(duì)電力半導(dǎo)體器件要求降低，但有較大跟隨誤差。如果H值比較小，雖然跟蹤誤差會(huì)降低，但是開關(guān)頻率會(huì)因此而提高，將對(duì)半導(dǎo)體器件提出更高要求［7］。

圖1 電流滯環(huán)控制原理Fig.1 Schematic of hysteresis current control strategy

使用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式，一般環(huán)寬是固定不變的，導(dǎo)致主電路電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率不斷變化。利用DSP進(jìn)行數(shù)字控制時(shí)，可以通過定時(shí)器控制開關(guān)頻率，這樣就不會(huì)因?yàn)轭l率過高而損壞器件。

2.2 基于三角載波的控制技術(shù)

圖2為三角載波控制原理，其將i＊c和ic的差值Δic經(jīng)比例放大器后再與三角載波比較。此系統(tǒng)是按照把Δic控制為最小而設(shè)計(jì)的。

圖2 三角載波控制原理Fig.2 Schematic of triangular carrier current control strategy

三角載波控制的好處是開關(guān)器件的頻率是固定值，其值與三角載波頻率相等，方便濾除開關(guān)頻率附近的高次諧波，但是實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，跟隨誤差較大，響應(yīng)較慢。

2.3 基于定時(shí)比較的控制技術(shù)

為了克服滯環(huán)電流控制頻率不固定的缺點(diǎn)，定時(shí)比較控制器被提出，用一個(gè)由時(shí)鐘控制的比較器代替置換比較器，每個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)Δic判斷一次，使PWM信號(hào)至少一個(gè)時(shí)鐘周期才變化一次，器件的開關(guān)頻率就被限制在時(shí)鐘頻率一半以內(nèi)，可保護(hù)器件，定時(shí)比較控制原理圖如圖3所示。

圖3 定時(shí)比較控制原理Fig.3 Schematic of timing comparison control strategy

該方式的缺點(diǎn)是補(bǔ)償電流誤差不固定，從波形上看就是毛刺忽大忽小，補(bǔ)償效果欠佳。

2.4 基于空間矢量的控制技術(shù)

空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM（space vector pulse width modulation）控制技術(shù)是利用逆變器空間電壓矢量的切換來(lái)獲得準(zhǔn)圓形磁場(chǎng)，產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，從而在不高的開關(guān)頻率下獲得較好性能的控制技術(shù)［8，9］。

根據(jù)開關(guān)頻率固定與否，又可將空間矢量技術(shù)分為兩大類：一類是基于固定開關(guān)頻率的SVPWM，即使逆變器輸出的空間電壓跟蹤同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中電流調(diào)節(jié)器輸出的空間電壓矢量，從而控制電流；另一類是基于滯環(huán)的空間矢量控制技術(shù)，它是利用電流偏差矢量空間分布給出最優(yōu)的電壓矢量切換，使電流偏差控制在環(huán)寬以內(nèi)。其控制原理圖如圖4所示。該方法直流電壓利用率高，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，但是計(jì)算量較大，對(duì)處理器運(yùn)算速度要求高。

圖4 基于滯環(huán)的空間矢量控制原理Fig.4 Schematic of hysteresis space vector control strategy

有源電力濾波器的控制方法還有單周控制法，無(wú)差拍控制法，變結(jié)構(gòu)控制法，模糊控制法等，各有其特點(diǎn)，本文不再贅述［10～12］。

3 仿真研究

為了研究有源電力濾波器的控制性能，本文在MATLAB／SIMULINK軟件里搭建系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of system

檢測(cè)算法采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip－iq檢測(cè)算法，PWM控制策略分別采用滯環(huán)，三角載波和基于空間矢量滯環(huán)的控制策略。圖5給出ip－iq算法檢測(cè)出的畸變電流波形和3種電流控制策略下橋臂電流波形。

圖5 指令電流與橋臂電流波形Fig.5 Current waveforms of order and bridge

圖6 負(fù)載電流與補(bǔ)償后系統(tǒng)側(cè)電流Fig.6 Current waveforms of load side and compensated system side

從圖5可以看出，3種PWM控制策略，電壓源換流器VSC（voltage source converter）輸出電流均能跟蹤上指令電流的變化，其中，滯環(huán)PWM控制策略環(huán)寬設(shè)定值較大，因此電流毛刺較大，一般取電感電流10%為宜。圖6給出負(fù)載電流和3種控制策略補(bǔ)償后系統(tǒng)側(cè)電流波形，可以看出，系統(tǒng)側(cè)電流經(jīng)過APF輸出補(bǔ)償，基本都維持正弦，這也驗(yàn)證了幾種PWM控制策略的正確性。利用FFT模塊對(duì)系統(tǒng)電流進(jìn)行分析得知，3種控制策略的系統(tǒng)電流THD均在3%以下，如圖7所示，5次、7次等特征諧波基本濾除，控制效果良好。

圖7 3種控制策略系統(tǒng)電流頻譜分析Fig.7 Current spectra analysis of three kinds of control strategies

為了研究3種控制方法電流跟蹤誤差，本文捕捉電流誤差信號(hào)，并繪制極坐標(biāo)圖。方法為：將一個(gè)周波時(shí)間平均分布在360°平面上，繪制6個(gè)周波內(nèi)電流誤差信號(hào)隨時(shí)間的變化情況。仿真結(jié)果分別如圖8（a）～（c）所示。從結(jié)果看，三角載波PWM策略基本能將電流誤差控制在5以內(nèi)，而滯環(huán)PWM和滯環(huán)SVPWM的電流誤差較大，并且在電流急劇變化的時(shí)候，3種控制方式電流誤差均有較大尖峰，每個(gè)周波出現(xiàn)4次，與圖8結(jié)果吻合。

圖8 3種控制方式電流誤差信號(hào)極坐標(biāo)Fig.8 Polar graphs of current error signal of three kinds of control strategies

研究開關(guān)器件動(dòng)作頻率，本文仿真中采集開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并作傅里葉分析，基準(zhǔn)值選取10 k Hz，等于三角載波控制方法中載波頻率。3種方法傅里葉分析結(jié)果如圖9（a）～（c）所示?？梢钥闯?，滯環(huán)PWM控制方式中，開關(guān)器件動(dòng)作頻率在7 k Hz附近，并且頻帶較寬，可以設(shè)計(jì)帶阻濾波器將其濾除。載波方式中，很明顯，開關(guān)頻率位于10 k Hz，更容易設(shè)計(jì)帶阻或高通濾波器將其濾除。滯環(huán)SVPWM方式開關(guān)頻率略高于滯環(huán)方式，頻帶更加寬范，并且低頻更為均勻，可以設(shè)計(jì)高通濾波器將其濾除。

圖9 3種控制方式開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻譜分析Fig.9 Switch driving signal spectrums of three kinds of control strategies

4 實(shí)驗(yàn)研究

在理論分析的基礎(chǔ)上，搭建了并聯(lián)有源電力濾波器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)條件為：三相交流電壓20 V，頻率50 Hz，負(fù)載為三相不控整流阻感負(fù)載，電阻2.5Ω，電感15 m H，APF連接電感2.5 m H，直流側(cè)電容4700μF，直流電壓設(shè)定在80 V，通過PI調(diào)節(jié)。諧波檢測(cè)算法采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip－iq檢測(cè)法，電流跟蹤控制采用基于三角載波的控制方法。并聯(lián)APF控制系統(tǒng)框圖如圖10所示。三相負(fù)載電流、橋臂電流和直流側(cè)電壓信號(hào)經(jīng)過傳感器測(cè)量電路送入AD芯片進(jìn)行采樣，試驗(yàn)中，采樣芯片采用AD7656，由于采用ip－iq算法，因此通過過零檢測(cè)電路捕獲A相電壓相位用于諧波檢測(cè)算法，同時(shí)該過零點(diǎn)作為控制系統(tǒng)一個(gè)周波的起點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和輸出補(bǔ)償。

圖11為CCS3.3軟件中采集到的電流波形，其中圖11（a）為負(fù)載電流波形，圖11（b）為指令電流信號(hào)，圖11（c）為橋臂電流波形?？梢钥闯?，三角載波PWM策略使輸出電流跟蹤指令電流變化，控制效果良好。

圖10 并聯(lián)APF控制系統(tǒng)框Fig.10 System control diagram of shunt APF

圖11 橋臂輸出電流波形Fig.11 Current waveforms from CCS

圖12為實(shí)驗(yàn)中捕獲的負(fù)載電流和補(bǔ)償后系統(tǒng)電流波形，從圖12中看出，補(bǔ)償后系統(tǒng)電流基本維持正弦，電能質(zhì)量分析儀顯示THD由23.7%降到4.7%，完全符合系統(tǒng)要求。

圖12 實(shí)驗(yàn)所得負(fù)載和系統(tǒng)電流波形Fig.12 Current waveforms of load and system from experiment

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概述，接著詳細(xì)敘述了當(dāng)今主流的幾種電流跟蹤控制PWM技術(shù)，并對(duì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)給予了說(shuō)明。在仿真分析的基礎(chǔ)上，詳細(xì)比較了滯環(huán)控制，三角載波控制和空間矢量滯環(huán)控制的特點(diǎn)，給出電流誤差極坐標(biāo)圖和開關(guān)頻率的比較，進(jìn)而說(shuō)明針對(duì)開關(guān)頻率的濾波器的設(shè)計(jì)思想。最后，搭建仿真平臺(tái)，分別采用ip－iq諧波檢測(cè)算法和三角載波PWM控制策略進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了算法的正確性和設(shè)計(jì)的合理性。

本文給出了現(xiàn)在工程上常用的電流PWM控制策略的分析與比較，還有一些新穎算法正逐步從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用，控制算法的革新必將推動(dòng)有源電力濾波器新的更快的發(fā)展。

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