徐 鋒，程漢湘，何紹洋

(1.浙江臺州職業(yè)技術學院電子電氣工程系，浙江 臺州318000;2.廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東 廣州510006)

1 引言

有源電力濾波器(APF)是目前使用較為普遍的諧波及無功功率補償裝置，APF的補償性能取決于主電路的拓撲結構和控制方式。目前APF的主電路結構比較成熟，且大多采用PWM變流器作為其主電路，因此有源電力濾波器的性能依賴于所采用的控制方法，在整個控制策略中，直流側電容電壓的穩(wěn)定控制是十分重要的環(huán)節(jié)。因此，對直流側電容電壓進行控制，使其保持穩(wěn)定對APF的補償效果具有重要的意義。同時，有源電力濾波器(APF)是一個十分復雜的非線性動態(tài)補償系統(tǒng)，選擇合適的控制方式實現(xiàn)較好的控制特性是十分困難的，因為控制是在主電路產(chǎn)生復雜時變的諧波和無功電流情況下同時進行的。本文通過研究有源電力濾波器、電源、非線性負載之間能量交換的機理，提出直流側電容電壓穩(wěn)定的控制方法，使電壓波動程度減小，有效降低了補償后系統(tǒng)電流諧波畸變率［1］。

2 有源濾波器直流側電壓波動分析

有源電力濾波器系統(tǒng)中，負載的變化會引起負載有功電流的變化，直流側電壓控制不能立刻反應，導致變流器吸收或釋放有功功率，引起直流側電壓波動［2］。為使有源電力濾波器正常工作，達到預期的補償效果，直流側必須有足夠高的電容電壓并保持穩(wěn)定，以保證在動態(tài)補償?shù)娜魏嗡查g能根據(jù)控制要求輸出所需的補償電流。但由于補償電流的時變性和變流器的自身損耗，IGBT器件開關損耗，也會導致直流側電壓波動。如不采取適當?shù)目刂拼胧?，直流側電容電壓將發(fā)生衰減或很大的波動，造成變流器不能正常運行。

實驗可以看出直流側電壓波動微小，電壓看似平穩(wěn)，如圖1(a)所示，但是會隨著電網(wǎng)周期電壓起伏呈現(xiàn)周期性波動。電壓一直處于動態(tài)調整之中，并在5～15V的范圍內波動，如圖1(b)所示。

圖1 APF空載運行直流側電壓波形Fig.1 DC-link voltage waveform of APF unloaded operation

圖1中，電壓探頭比例為1∶500，兩圖刻度分別為縱軸1格1V對應500V，1格10mV對應5V，電壓波動峰峰值約為15V，波動周期為20ms(電網(wǎng)工頻周期)。電壓波動為直流側電容隨電網(wǎng)電壓波動充放電所致，必定伴隨電容充放電電流。這些電流為電網(wǎng)電流注入了毫無規(guī)則的諧波，對補償極為不利。從實驗觀察可知，直流側電壓會發(fā)生周期性的波動，雖然波動很微小，但是其造成的過補償或者欠補償能夠給系統(tǒng)補償精度帶來巨大影響。保證直流側電壓穩(wěn)定度，是提高APF跟蹤性能的重要環(huán)節(jié)。

空載運行時，采樣電流輸入端為零，相對于工頻周期，PWM占空比為50%，相對于采樣周期，PWM占空比只有兩個值，0和100%，如圖2(a)所示。這是在空載運行且直流側電壓完全恒定時的理想情況。把這些PWM脈沖上升沿放大發(fā)現(xiàn)，其上升和下降沿存在一串連續(xù)的抖動脈沖，這些抖動脈沖是在模塊開斷時電流交換導致直流側電壓波動，直流側電壓調節(jié)系統(tǒng)在調整電壓波動過程中產(chǎn)生的，如圖2(b)所示。在占空比從0～100%轉換之間有一過渡過程，若干采樣周期內，PWM占空比從0逐漸增大到100%，表現(xiàn)一系列過渡抖動。細微波動過渡時間反映電壓控制響應時間，PWM脈沖過渡抖動時間偏長，則補償效果變差。

圖2 APF空載運行PWM輸出波形Fig.2 PWM waveforms of APF unloaded operation

因此，可以通過PWM脈沖的上升下降沿過渡時間來研究直流側電壓波動，如果脈沖抖動越少，過渡時間越短，直流側電壓越穩(wěn)定，說明直流電壓控制效果越好，對系統(tǒng)諧波補償更有利。直流側電壓波動對補償效果有影響。

3 直流側電壓波動對補償效果的影響

在APF試驗中，發(fā)現(xiàn)電壓波動對補償效果有極其關鍵的影響［3］。解決此關鍵問題可采用 PI控制器將直流側電容電壓維持在要求的水平，具體做法是將電容電壓與設定的電壓參考值進行比較，并將比較結果送入PI控制器，PI控制器的輸出就是電源側電流期望的幅值，也即負載側電流基波有功分量的幅值。直流側電壓控制方式采用PI控制方式下，補償后電流波形如圖3所示，補償后電網(wǎng)電流波形有很多毛刺，特別是在負載電流突變的時刻，有許多尖峰。這些尖峰一方面是系統(tǒng)延時所致，另一方面即因電流突變時引起電壓波動所致。

圖3 PI控制直流側電壓補償后電流圖Fig.3 System current after compensation of PI control DC-link voltages

根據(jù)瞬時能量守恒控制理論分析如下［4］:在并聯(lián)型APF中，直流側電容用于為逆變器主電路提供穩(wěn)定的直流電壓。瞬時有功功率關系如圖4所示。Ps為電網(wǎng)中電源傳輸?shù)乃矔r有功功率，Pl為負載側傳輸?shù)乃矔r有功功率，Pc為APF傳輸?shù)挠泄β剩邼M足關系 Ps=Pl－Pc，其平均值之間同樣滿足=－，忽略APF損耗，根據(jù)瞬時能量守恒，可得

由式(1)可得APF傳輸?shù)乃矔r有功功率的平均值 Pc，為一個開關周期內直流電容電壓變化值的平方差，即

由式(2)和有功功率滿足的三者關系可得

設Us、Is分別為系統(tǒng)相電壓、相電流的幅值，電源平均功率為=UsIs/2，則有:

由式(4)與式(5)表明，Is與直流側電容電壓Udc在一個周期內的平方差成線性關系。直流側電壓波動會導致系統(tǒng)電流變化，給系統(tǒng)輸入諧波，影響諧波補償效果。

4 優(yōu)化控制設計及補償效果

圖4 并聯(lián)型有源電力濾波器能量關系圖Fig.4 Energy exchange relations of shunt APF

直流側電壓調節(jié)，一般通過檢測到的直流電壓與給定電壓的偏差進行PI調節(jié)，通過瞬時有功電流直流分量反饋調節(jié)，使直流側電壓保持恒定，如圖5(a)所示。PI算法簡單，可靠性好，但是其依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學模型，魯棒性差，適用于穩(wěn)態(tài)情況。模糊控制不依賴于精確的系統(tǒng)模型，可以克服系統(tǒng)非線性影響，魯棒性強。模糊控制可以彌補單純PI調節(jié)的不足。模糊控制中，控制輸出量的大小由ΔUdc的大小、正負情況決定。模糊控制規(guī)則中，當Udc遠小于時，大大增加控制量;當 Udc遠大于時，大大減小控制量;當 Udc與正負偏差不大時，根據(jù)變化趨勢來確定控制量［5］。

根據(jù)模糊控制規(guī)則，檢測量Udc與給定量U*dc得出偏差，偏差值與輸出量不是呈線性的增大或減小，而是呈非線性的。根據(jù)這一原則，采用一種優(yōu)化控制方式來替代模糊控制，基本實現(xiàn)模糊控制的功能，又可以使程序代碼精簡，節(jié)約程序運行時間，從而減小系統(tǒng)延時。優(yōu)化控制方法簡述為:取電壓偏差的平方，且保留偏差正負號，把帶正負號的電壓偏差平方值作為控制量，再進行PI調節(jié)輸出控制量。這樣就可以使電壓偏差量與控制輸出量呈非線性關系，偏差大時將控制量放大，偏差小時將控制量縮小，如圖5(b)所示。

圖5 兩種直流側電壓控制方法流程圖Fig.5 Two DC-link voltage control process

根據(jù)上述優(yōu)化控制方式，進行直流側電壓控制，控制前后直流側電壓波動情況如圖6所示。圖中電壓值為750V，示波器2.5V/格，優(yōu)化控制后直流側電壓波動情況有明顯改善。

圖6 兩種電壓控制方法下電壓波形細節(jié)圖Fig.6 DC-link voltage waveforms details in two control methods

通過APF空載電流試驗，直流側電壓在普通PI控制和優(yōu)化控制方式下，PWM脈沖邊沿抖動對比如圖7所示。

圖7 PWM脈沖過渡邊沿對比Fig.7 PWM pulse transition edge contrast

從圖7可知，在IGBT開通關斷時刻，抖動脈沖的個數(shù)明顯減少，反映出直流側電壓能夠迅速跟蹤保持恒定，電壓調整過渡時間縮短。通過APF諧波補償實驗研究，優(yōu)化控制直流側電壓與普通PI控制方式兩種情況下，補償后系統(tǒng)電流波形如圖8(a)所示，通過示波器泰克軟件FFT頻譜分析，大部分諧波含量大幅度減小，計算50次以內諧波，總諧波畸變率(THD)從7.72%下降至5.51%，如圖8(b)所示。

圖8 優(yōu)化控制后的效果圖Fig.8 Effect after optimization control

5 結論

通過實驗觀察直流側電壓的細微波動和空載時PWM脈沖邊沿抖動，兩方面都可以作為衡量直流側電壓穩(wěn)定的依據(jù)。直觀反映出直流側電壓波動對補償效果的影響，并通過理論分析工頻周期內電壓波動對系統(tǒng)電流的影響。通過類似于模糊控制的優(yōu)化控制方式，減小直流側電壓波動而且減少了PWM脈沖抖動次數(shù)，取得了比較理想的補償效果。

［1］羅世國，侯振程 (Luo Shiguo，Hou Zhencheng).有源濾波器直流側電壓閉環(huán)控制的穩(wěn)定性研究 (APF dc voltage stability of the closed-loop control)［J］.重慶大學學報 (Journal of Chongqing Univ.)，1994，17(3):60-68.

［2］劉進軍 (Liu Jinjun).基于 VSC的電能質量補償裝置控制方法回顧(Based on the model of power quality VSC compensation device control method)［A］.首屆電能質量學術會議論文集(The first power quality academic conference proceedings)［C］.北京 (Beijing)，2009.

［3］周雪松，周永兵，馬幼捷 (Zhou Xuesong，Zhou Yongbing，Ma Youjie).一種先進的APF補償電流自適應諧波檢測法(An advanced APF compensation current adaptive harmonic method)［J］.電力電子技術 (Electric Power Electronic Technology)，2008，42(4):9-11.

［4］王大志，葛帥，李俊，等 (Wang Dazhi，Ge Shuai，Li Jun，et al.).有源電力濾波器鎖相倍頻電路的參數(shù)優(yōu)化(Active power filter phase lock times frequency circuit parameters optimization)［J］.電力電子技術 (Power Electronics)，2010，44(12):14-17.

［5］周雪松，周永兵，馬云斌，等 (Zhou Xuesong，Zhou Yongbing，Ma Yunbin，et al.).并聯(lián)型有源電力濾波器直流側電壓分析 (Parallel type of active power filter dc side voltage analysis)［J］.中國電力 (China Electric Power)，2009，2(42):24-28.