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