有源电力滤波器控制策略综述

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)