有源电力滤波器控制策略综述

有源电力滤波器控制策略综述  

摘要：针对空间矢量最优控制、定频滞环电流控制、单周控制、变结构控制等几种目前在有源电力滤波器（APF）控制中较新、应用较广的方法进行了对比分析，指出了它们各自的优缺点及应用范围。提出了基于单位功率因数(UPF)控制和组合变流器相移SPWM两种控制策略，并进行了仿真验证。

关键词：单周控制；变结构控制；单位功率因数控制；组合变流器相移

1    引言

    近年来，随着电力电子技术的发展，电力电子装置的应用越来越广，它所产生的谐波和无功功率给电网带来的各种危害也越来越大。为了抑制高次谐波和补偿无功功率，近几年出现了许多新型的无功补偿装置和有源滤波系统。这些装置虽然各有不同，但有一点是共同的，即要求准确快速地检测出谐波和无功功率，从而实现快速补偿。有源电力滤波器（APF）的关键技术之一就是逆变器的PWM技术，目前常用的PWM技术有：

    1）基于正弦波对三角波调制的SPWM技术；

    2）基于消除特定次数谐波的HEPWM技术；

    3）基于电流滞环跟踪控制的PWM技术。

    第一种方法适用于模拟系统，在微机控制系统中很少采用；第二种方法需要预先计算出要消除的若干次指定谐波，在负载经常变化的情况下，跟随特性难以保证；第三种方法比较适合微机控制，其原理为实时检测逆变器的输出、并与跟踪目标进行比较，当偏差超出允许的边带时，控制器动作，使偏差减小。

    一般来说，波形质量，开关损耗，电压利用率等是衡量PWM方法的几个重要指标，随着现代大功率器件开关频率的不断提高，波形质量问题己得到了较好的解决，而开关损耗问题却日益严重，以电路拓扑改进为代表的软开关技术在解决开关损耗问题的同时也带来电路结构复杂化的问题，对复杂电路尤其如此。所以，如何从PWM控制方法的优化上减小开关损耗，是一个值得探讨的问题。

    针对APF的控制，相关文献提出了各种控制方法，如正弦三角波调制，代价函数最小PWM法和空间矢量PWM法、单周控制、无差拍控制、变结构控制等。这里简单介绍几种较好、较新的控制方法。

2    各种控制策略综述

2.1    空间矢量最优控制

    空间电压矢量法(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁通圆为基淮，用逆变器不同的开关模式所产生实际磁通去迫近基准圆磁通。由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成PWM波形。此法从电动机的角度出发，把逆变器和电机看作一个整体，使电机获得幅值恒定的圆形磁场。通过控制磁通或电压矢量导通时间，用尽可能多的多边形磁通去逼近正弦磁通。具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式。磁通开环法用两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量，若采样时间足够小，可合成任意电压矢量。此法输出电压正弦波调制时提高l5％，谐波电流有效值之和接近最小。磁通闭环式引入磁通反馈，控制磁通的大小和变化的速度。在比较估算磁通和给定磁通后，根据误差决定产生下一个电压矢量，形成PWM波形。这种方法克服了磁通开环法的不足，解决了电机低速时，定子电阻影响大的问题，减小了电机的脉动和噪音。有的学者提出一种应用于新型三电平PWM高频整流系统的电压空间矢量PWM调制控制方式[1]，使得系统不仅能控制有功功率的传输，而且能提供无功功率的吞吐。它不仅优化开关矢量，降低开关频率，提高直流侧电压利用率，减小AC侧输入电流的总谐波畸变率，而且在中点电位控制方面也易于实现。将开关矢量划分为4类：小开关矢量，零开关矢量，中开关矢量，大开关矢量（见图1）。开关矢量选择及优化的原则如下：

图1    开关矢量分布

    1)为了优化开关频率，开关矢量选择应该是每次开关矢量变化时，只有一个开关函数变动，而且变动值循环；

    2)在一个开关周期中，开关矢量的选择是对称的；

    3)零矢量或等效零矢量的作用时间是等分分配的；

    4)考虑正开关矢量和负开关矢量的协调作用来平衡中点电位的浮动。

    基于电压矢量的控制方法本身就有较高的直流电压利用率和控制精度，利用该方法能方便地判定参考电压矢量所在区域，从而应用最优电压矢量进行控制，使得SVPWM性能进一步提高。

2．2    滞环电流控制

    滞环电流控制是一种简单的Bang-bang控制，它集电流控制与PWM于一体。实际电流与指令电流的上、下限相比较，交点作为开关点。指令电流的上、下限形成一个滞环。滞环电流控制具有以下特点：

    1）滞环电流控制是基于电流暂态的控制，具有动态响应速度快、鲁棒性好的优点；

    2）滞环电流控制本质是一种隐含载波的变频SPWM调制方式，在三相高功率因数整流器中，滞环控制的隐含载波频率随电网电压做周期性变化，变化频率为工频的2倍；

    3）滞环电流控制输出频谱范围宽，滤波较困难，谐波能量均匀分布在较宽的频带范围内。

    该方法将指令电流值与实际补偿电流的差值输入到具有滞环特性的比较器中，然后用比较器的输出来控制逆变器的开关器件。与三角载波控制方式相比，该方法开关损耗小，动态响应快。但是，该方法使开关频率变化较大，容易引起脉冲电流和开关噪声。后来，为限定开关频率的最大值而提出了变滞环带宽的改进算法，这必将影响响应速度和补偿电流跟踪精度。为了解决滞环电流控制变频的缺点，仍有不少学者在探索改进的方案，比如：限制最高开关频率，通过改变滞环宽度实现恒频控制等。

    目前应用于有源滤波器的电流控制方法一般有两类，即滞环电流控制方法和三角波电流控制方法。前者精度较高且响应快，但开关频率可能波动很大，后者开关频率恒定，装置安全性较高，但响应较慢，精度较低。而基于电压矢量的控制方法有较高的直流电压利用率和控制精度。为解决既能保持恒定的开关频率，有较高的直流电压利用率，又能同时提高有源滤波器性能和效率的难题，有人提出一种新的基于优化电压矢量的有源滤波器定频滞环电流控制方法[2]。它的主要原理是保持一相开关合于下臂不动，用其余两相开关去独立控制相应的相间电流，并不需要估计阻抗参数，便能实现两相解耦，进而在传统的滞环控制中实现了开关定频。该方法的特点，一是能快速正确判定参考电压矢量的区域，从而选择优化电压矢量去控制电流，二是可选择逆变器中的两个适当的开关去独立控制相应的两个相间电流，不需估计阻抗值即可实现开关定频化。在达到较高的控制精度、保证较高的输出电压的同时，还实现了开关的定频化，从而使有源滤波器的综合性能有明显提高。

2.3    单周控制

    单周控制法，又称积分复位控制（Integration Reset Control，简称IRC）作为一种非线性控制法，最早由美国学者Keyue M.Smedley和S1obodanCuk提出。该技术同时具有调制和控制的双重性，通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。单周控制器由控制器、比较器、积分器及时钟组成，其中控制器可以是RS触发器，其控制原理如图2所示。图2中，K可以是任何物理开关，也可是其它可转化为开关变量形式的抽象信号。

图2    单周控制原理图

    单周控制法作为一种新型非线性控制技术，它可应用于PWM控制、软开关等。这种方法的基本思想是控制开关占空比，在每个周期内强迫开关变量的平均值与控制参考量相等或成比例。单周控制在控制电路中不需要误差综合，它能在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，前一周期的误差不会带到下一周期，因此，克服了传统的PWM控制方法的不足，适用于各种脉宽调制软开关等开关逆变器，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、控制电路简单等优点，此外，单周控制还能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，是一种很有前途的控制方法。在DC/DC变换器中已经得到充分的研究。作为一种调制方式，该技术最近在向三相变流器方面，如电流型PFC、电压型APF探索。IRC具有电路简单可靠、控制效果好的优点、不仅具有重要的理论意义，而且也具有很好的工程应用价值。

2.4    变结构控制[3][5]

    目前，混合型电力滤波器（HAPF）是一种效率较高，应用极为广泛的APF。其中，无源滤波器对负载的谐波电流进行滤波，并提供一定的基波无功补偿；而有源滤波器则起改善无源滤波器特性的作用。因而，以非常小容量的有源滤波器，就可以弥补无源滤波器特性的一些固有缺陷。这样既可以改善无源滤波器的滤波效果，防止其与电网之间发生谐振，又避免了并联有源滤波器的谐波电流注入并联的无源滤波器形成谐波短路的现象，提高了有源滤波器的有限容量的利用率。而HAPF的控制策略，大多以上世纪80年代初H．Akagi等人提出的瞬时无功理论为基础。通过对电力系统中无功和谐波电流的检测计算来实现无功功率和谐波电流的补偿。不仅计算、控制复杂，而且由于未对期望的电源电流实现闭环跟踪控制，测量和计算误差得不到补偿，影响了其补偿性能的提高。变结构控制(Variable Structure Control，简称VSC)理论，对系统的变化和外部干扰不敏感，具有很强的鲁棒性，文献[4]应用VSC理论，在建立空间矢量数学模型的基础上，推出一种混合型电力滤波器的变结构控制方法，避免了较复杂的谐波电流计算，实现了对电源电流和电容电压的闭环控制，具有良好的控制性能，是一种简单有效且易于实现的方法。

2.5    无差拍控制[5][6]

    无差拍控制（Dead Beat Control，简称DBC）是一种全数字化的控制技术，其基本思想是将输出参数波形等间隔地划分为若干个取样周期。根据电路在每一取样周期的起始值，预测在关于取样周期中心对称的方波脉冲作用下某电路变量在取样周期末尾时的值。适当控制方波脉冲的极性与宽度，就能使输出波形与要求的参数波形重合。不断调整每一取样周期内方波脉冲的极性与宽度，就能获得谐波失真小的输出。其优点是动态响应很快，易于计算机执行。无差拍控制逆变器也存在如下诸多缺点：

    1）对系统参数依赖性较大；

    2）鲁俸性较差；

    3）瞬态响应的超调量大；

    4）计算的实时性强，对硬件要求高。

    为克服DBC的以上种种不足，国内外学者做了一些大胆尝试。文献[7]中提出了一种带负载电流观测器的DBC，假定负载电流变化率在采样间隔保持不变，用两个二阶观测器分别观测状态变量（通常为输出电压和滤波电感电流）和负载电流，提高了对不同负载性质的适应性。随着数字信号处理单片机(DSP)应用的不断普及，这是一种很有前途的控制方法。在APF中，跟踪参考信号的控制方法是决定有源滤波器补偿质量的关键。因为，只有求得补偿信号参考值后，才能通过反馈环节和控制变流器的开关元件使变流器产生与参考信号相等的实际信号。文献[8]表明：用基于DBC的APF变流器的输出可以很好地跟踪参考谐波电压信号，使负载端的电压波形接近于正弦波，这种APF即使在开关频率比较低的情况下也有着良好的动静态响应。

2.6    基于单位功率因数(UPF)的控制策略

    该控制策略的目的是使非线性负载和滤波器的并联等效为一电阻性负载。假设电网电压无畸变傅里叶展开为

    u_s=U_sinωt（1）

如加上滤波器后负载侧的输入阻抗呈电阻性则补偿后的网侧电流可表示为

    i_s=ku_s=kUsinωt（2）

式中：k为复合非线性负载和滤波器的组合电导。

    电网电流是与电网电压同频同相的正弦波且没有谐波成分，功率因数为1（单位功率因数）。为验证本文所提的基于单位功率因数控制策略，利用Matlab构造图3所示的实验电路，相应参数见表1，结果见图4，图5及图6。

表1    三相整流电路的参数

图3    三相整流电路原理图

图4    补偿前的相电流（50A/格）与相电压（50V/格）

图5    APF提供的补偿电流（2A/格）

图6    补偿后的电源电流波形(5A/格)

2.7    组合变流器相移SPWM

    有源滤波和无功补偿装置要求具有良好的调节性能和足够的输出功率，以提供电流的超前和滞后补偿，同时要求系统具有足够的频带宽度以达到消除高次谐波的目的。为了实现对无功电流和高次谐波电流的有效补偿，需要开关器件工作在较高的频率下。但大功率正弦波脉宽调制（SPWM）变流器开关频率会受限制，原因为

    1）大功率半导体器件的开关频率较低；

    2）高的开关频率会导致较大的开关损耗，降低系统效率。

    而多重化的功率变换器调节性能较差，不能完全满足现代电网的要求。为此，由本文作者之一和加拿大B.T.Ooi教授共同提出[9]了组合变流器相移SPWM技术。相移SPWM技术的基本思想是：在变流器单元数为L_x的电压型SPWM组合装置中，各变流器单元采用共同的调制波信号s_m，其频率为f_m。各变流器单元的三角载波频率为fc，将各三角载波的相位相互错开三角载波周期的1/L_x，如图7(a)所示(变流器单元数L_x=5，SPWM频率调制比f_c/f_m=3，幅度调制比m_a=0.8)。图7(b)所示的L_x个波形分别为L_x个变流器单元的输出，上述L_x个变流器单元交流输出叠加形成整个组合变流器的输出波形，如图7(c)所示。对输出进行频谱分析，变流器单元之一的输出波形频谱如图7(d)所示，叠加后整个组合变流器输出波形频谱如图7(e)。比较图7(d)和图7(e)可见各变流器单元输出叠加后形成的组合变流器总输出波形中谐波得到了有效的抑制。

(a)    L_x个三角载波的相位关系

(b)    L_x个变流器单元的输出

(c)    组合变流器输出波形

(d)    变流器单元输出波形频谱

(e)    组合变流器输出波形频谱

图7组合变流器相移SPWM技术

    该技术的实质是多重化和PWM技术的有机结合，能够在低开关频率下实现大功率变流器SPWM技术，而且显著地减少了输出谐波，改善了输出波形，从而减少滤波器的容量。同时，相移SPWM变流器具有良好的动态响应和较高的传输频带，使得许多先进的控制手段得以应用，控制性能得以提高。电流型变流器由于具有直接提供电流，运行可靠，保护简单等优点，而在许多大功率场合得到应用。例如：电网有源补偿装置，如果采用电流型相移SPWM技术可以达到结构简单，控制特性好，响应快，频带宽，消除谐波能力强等优点。文献[10]中应用于SVG和SMES的这项技术称为相移SPWM。这就解决了大功率装置与器件开关频率较低的矛盾，可使GTO等特大功率器件组成的变流器用于APF装置。因此，这种技术在APF等大功率场合中具有广阔的应用前景。

3    结语

    本文提及的几种比较新颖的APF控制策略。在电压矢量基础上实行滞环电流控制可在同样的控制精度下，有效地降低开关频率，减小APF的开关损耗；单周控制在一个周期内消除稳态、瞬态误差，具有反应快、抗电源干扰、控制电路简单等优点，是一种很有前途的控制方法；变结构控制对系统的变化和外部干扰不敏感，具有很强的鲁棒性；无差拍控制是一种全数字化的控制技术。有关APF的控制策略正随着DSP技术和智能控制理论的发展而不断涌现。随着控制策略的改进，APF的特性也将不断提高，而相应的价格也必将下降。