有源電力濾波器控制策略綜述??

摘要：針對空間矢量最優控制、定頻滯環電流控制、單周控制、變結構控制等幾種目前在有源電力濾波器（APF）控制中較新、應用較廣的方法進行了對比分析，指出了它們各自的優缺點及應用范圍。提出了基于單位功率因數(UPF)控制和組合變流器相移SPWM兩種控制策略，并進行了仿真驗證。

關鍵詞：單周控制；變結構控制；單位功率因數控制；組合變流器相移

1??? 引言

??? 近年來，隨著電力電子技術的發展，電力電子裝置的應用越來越廣，它所產生的諧波和無功功率給電網帶來的各種危害也越來越大。為了抑制高次諧波和補償無功功率，近幾年出現了許多新型的無功補償裝置和有源濾波系統。這些裝置雖然各有不同，但有一點是共同的，即要求準確快速地檢測出諧波和無功功率，從而實現快速補償。有源電力濾波器（APF）的關鍵技術之一就是逆變器的PWM技術，目前常用的PWM技術有：

??? 1）基于正弦波對三角波調制的SPWM技術；

??? 2）基于消除特定次數諧波的HEPWM技術；

??? 3）基于電流滯環跟蹤控制的PWM技術。

??? 第一種方法適用于模擬系統，在微機控制系統中很少采用；第二種方法需要預先計算出要消除的若干次指定諧波，在負載經常變化的情況下，跟隨特性難以保證；第三種方法比較適合微機控制，其原理為實時檢測逆變器的輸出、并與跟蹤目標進行比較，當偏差超出允許的邊帶時，控制器動作，使偏差減小。

??? 一般來說，波形質量，開關損耗，電壓利用率等是衡量PWM方法的幾個重要指標，隨著現代大功率器件開關頻率的不斷提高，波形質量問題己得到了較好的解決，而開關損耗問題卻日益嚴重，以電路拓撲改進為代表的軟開關技術在解決開關損耗問題的同時也帶來電路結構復雜化的問題，對復雜電路尤其如此。所以，如何從PWM控制方法的優化上減小開關損耗，是一個值得探討的問題。

??? 針對APF的控制，相關文獻提出了各種控制方法，如正弦三角波調制，代價函數最小PWM法和空間矢量PWM法、單周控制、無差拍控制、變結構控制等。這里簡單介紹幾種較好、較新的控制方法。

2??? 各種控制策略綜述

2.1??? 空間矢量最優控制

??? 空間電壓矢量法(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想磁通圓為基淮，用逆變器不同的開關模式所產生實際磁通去迫近基準圓磁通。由它們的比較結果決定逆變器的開關，形成PWM波形。此法從電動機的角度出發，把逆變器和電機看作一個整體，使電機獲得幅值恒定的圓形磁場。通過控制磁通或電壓矢量導通時間，用盡可能多的多邊形磁通去逼近正弦磁通。具體方法又分為磁通開環式和磁通閉環式。磁通開環法用兩個非零矢量和一個零矢量合成一個等效的電壓矢量，若采樣時間足夠小，可合成任意電壓矢量。此法輸出電壓正弦波調制時提高l5％，諧波電流有效值之和接近最小。磁通閉環式引入磁通反饋，控制磁通的大小和變化的速度。在比較估算磁通和給定磁通后，根據誤差決定產生下一個電壓矢量，形成PWM波形。這種方法克服了磁通開環法的不足，解決了電機低速時，定子電阻影響大的問題，減小了電機的脈動和噪音。有的學者提出一種應用于新型三電平PWM高頻整流系統的電壓空間矢量PWM調制控制方式[1]，使得系統不僅能控制有功功率的傳輸，而且能提供無功功率的吞吐。它不僅優化開關矢量，降低開關頻率，提高直流側電壓利用率，減小AC側輸入電流的總諧波畸變率，而且在中點電位控制方面也易于實現。將開關矢量劃分為4類：小開關矢量，零開關矢量，中開關矢量，大開關矢量（見圖1）。開關矢量選擇及優化的原則如下：

圖1??? 開關矢量分布

??? 1)為了優化開關頻率，開關矢量選擇應該是每次開關矢量變化時，只有一個開關函數變動，而且變動值循環；

??? 2)在一個開關周期中，開關矢量的選擇是對稱的；

??? 3)零矢量或等效零矢量的作用時間是等分分配的；

??? 4)考慮正開關矢量和負開關矢量的協調作用來平衡中點電位的浮動。

??? 基于電壓矢量的控制方法本身就有較高的直流電壓利用率和控制精度，利用該方法能方便地判定參考電壓矢量所在區域，從而應用最優電壓矢量進行控制，使得SVPWM性能進一步提高。

2．2??? 滯環電流控制

??? 滯環電流控制是一種簡單的Bang-bang控制，它集電流控制與PWM于一體。實際電流與指令電流的上、下限相比較，交點作為開關點。指令電流的上、下限形成一個滯環。滯環電流控制具有以下特點：

??? 1）滯環電流控制是基于電流暫態的控制，具有動態響應速度快、魯棒性好的優點；

??? 2）滯環電流控制本質是一種隱含載波的變頻SPWM調制方式，在三相高功率因數整流器中，滯環控制的隱含載波頻率隨電網電壓做周期性變化，變化頻率為工頻的2倍；

??? 3）滯環電流控制輸出頻譜范圍寬，濾波較困難，諧波能量均勻分布在較寬的頻帶范圍內。

??? 該方法將指令電流值與實際補償電流的差值輸入到具有滯環特性的比較器中，然后用比較器的輸出來控制逆變器的開關器件。與三角載波控制方式相比，該方法開關損耗小，動態響應快。但是，該方法使開關頻率變化較大，容易引起脈沖電流和開關噪聲。后來，為限定開關頻率的最大值而提出了變滯環帶寬的改進算法，這必將影響響應速度和補償電流跟蹤精度。為了解決滯環電流控制變頻的缺點，仍有不少學者在探索改進的方案，比如：限制最高開關頻率，通過改變滯環寬度實現恒頻控制等。

??? 目前應用于有源濾波器的電流控制方法一般有兩類，即滯環電流控制方法和三角波電流控制方法。前者精度較高且響應快，但開關頻率可能波動很大，后者開關頻率恒定，裝置安全性較高，但響應較慢，精度較低。而基于電壓矢量的控制方法有較高的直流電壓利用率和控制精度。為解決既能保持恒定的開關頻率，有較高的直流電壓利用率，又能同時提高有源濾波器性能和效率的難題，有人提出一種新的基于優化電壓矢量的有源濾波器定頻滯環電流控制方法[2]。它的主要原理是保持一相開關合于下臂不動，用其余兩相開關去獨立控制相應的相間電流，并不需要估計阻抗參數，便能實現兩相解耦，進而在傳統的滯環控制中實現了開關定頻。該方法的特點，一是能快速正確判定參考電壓矢量的區域，從而選擇優化電壓矢量去控制電流，二是可選擇逆變器中的兩個適當的開關去獨立控制相應的兩個相間電流，不需估計阻抗值即可實現開關定頻化。在達到較高的控制精度、保證較高的輸出電壓的同時，還實現了開關的定頻化，從而使有源濾波器的綜合性能有明顯提高。

2.3??? 單周控制

??? 單周控制法，又稱積分復位控制（Integration Reset Control，簡稱IRC）作為一種非線性控制法，最早由美國學者Keyue M.Smedley和S1obodanCuk提出。該技術同時具有調制和控制的雙重性，通過復位開關、積分器、觸發電路、比較器達到跟蹤指令信號的目的。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時鐘組成，其中控制器可以是RS觸發器，其控制原理如圖2所示。圖2中，K可以是任何物理開關，也可是其它可轉化為開關變量形式的抽象信號。

圖2??? 單周控制原理圖

??? 單周控制法作為一種新型非線性控制技術，它可應用于PWM控制、軟開關等。這種方法的基本思想是控制開關占空比，在每個周期內強迫開關變量的平均值與控制參考量相等或成比例。單周控制在控制電路中不需要誤差綜合，它能在一個周期內自動消除穩態、瞬態誤差，前一周期的誤差不會帶到下一周期，因此，克服了傳統的PWM控制方法的不足，適用于各種脈寬調制軟開關等開關逆變器，具有反應快、開關頻率恒定、魯棒性強、易于實現、控制電路簡單等優點，此外，單周控制還能優化系統響應、減小畸變和抑制電源干擾，是一種很有前途的控制方法。在DC/DC變換器中已經得到充分的研究。作為一種調制方式，該技術最近在向三相變流器方面，如電流型PFC、電壓型APF探索。IRC具有電路簡單可靠、控制效果好的優點、不僅具有重要的理論意義，而且也具有很好的工程應用價值。

2.4??? 變結構控制[3][5]

??? 目前，混合型電力濾波器（HAPF）是一種效率較高，應用極為廣泛的APF。其中，無源濾波器對負載的諧波電流進行濾波，并提供一定的基波無功補償；而有源濾波器則起改善無源濾波器特性的作用。因而，以非常小容量的有源濾波器，就可以彌補無源濾波器特性的一些固有缺陷。這樣既可以改善無源濾波器的濾波效果，防止其與電網之間發生諧振，又避免了并聯有源濾波器的諧波電流注入并聯的無源濾波器形成諧波短路的現象，提高了有源濾波器的有限容量的利用率。而HAPF的控制策略，大多以上世紀80年代初H．Akagi等人提出的瞬時無功理論為基礎。通過對電力系統中無功和諧波電流的檢測計算來實現無功功率和諧波電流的補償。不僅計算、控制復雜，而且由于未對期望的電源電流實現閉環跟蹤控制，測量和計算誤差得不到補償，影響了其補償性能的提高。變結構控制(Variable Structure Control，簡稱VSC)理論，對系統的變化和外部干擾不敏感，具有很強的魯棒性，文獻[4]應用VSC理論，在建立空間矢量數學模型的基礎上，推出一種混合型電力濾波器的變結構控制方法，避免了較復雜的諧波電流計算，實現了對電源電流和電容電壓的閉環控制，具有良好的控制性能，是一種簡單有效且易于實現的方法。

2.5??? 無差拍控制[5][6]

??? 無差拍控制（Dead Beat Control，簡稱DBC）是一種全數字化的控制技術，其基本思想是將輸出參數波形等間隔地劃分為若干個取樣周期。根據電路在每一取樣周期的起始值，預測在關于取樣周期中心對稱的方波脈沖作用下某電路變量在取樣周期末尾時的值。適當控制方波脈沖的極性與寬度，就能使輸出波形與要求的參數波形重合。不斷調整每一取樣周期內方波脈沖的極性與寬度，就能獲得諧波失真小的輸出。其優點是動態響應很快，易于計算機執行。無差拍控制逆變器也存在如下諸多缺點：

??? 1）對系統參數依賴性較大；

??? 2）魯俸性較差；

??? 3）瞬態響應的超調量大；

??? 4）計算的實時性強，對硬件要求高。

??? 為克服DBC的以上種種不足，國內外學者做了一些大膽嘗試。文獻[7]中提出了一種帶負載電流觀測器的DBC，假定負載電流變化率在采樣間隔保持不變，用兩個二階觀測器分別觀測狀態變量（通常為輸出電壓和濾波電感電流）和負載電流，提高了對不同負載性質的適應性。隨著數字信號處理單片機(DSP)應用的不斷普及，這是一種很有前途的控制方法。在APF中，跟蹤參考信號的控制方法是決定有源濾波器補償質量的關鍵。因為，只有求得補償信號參考值后，才能通過反饋環節和控制變流器的開關元件使變流器產生與參考信號相等的實際信號。文獻[8]表明：用基于DBC的APF變流器的輸出可以很好地跟蹤參考諧波電壓信號，使負載端的電壓波形接近于正弦波，這種APF即使在開關頻率比較低的情況下也有著良好的動靜態響應。

2.6??? 基于單位功率因數(UPF)的控制策略

??? 該控制策略的目的是使非線性負載和濾波器的并聯等效為一電阻性負載。假設電網電壓無畸變傅里葉展開為

??? u_s=U_sinωt（1）

如加上濾波器后負載側的輸入阻抗呈電阻性則補償后的網側電流可表示為

??? i_s=ku_s=kUsinωt（2）

式中：k為復合非線性負載和濾波器的組合電導。

??? 電網電流是與電網電壓同頻同相的正弦波且沒有諧波成分，功率因數為1（單位功率因數）。為驗證本文所提的基于單位功率因數控制策略，利用Matlab構造圖3所示的實驗電路，相應參數見表1，結果見圖4，圖5及圖6。

表1??? 三相整流電路的參數

圖3??? 三相整流電路原理圖

圖4??? 補償前的相電流（50A/格）與相電壓（50V/格）

圖5??? APF提供的補償電流（2A/格）

圖6??? 補償后的電源電流波形(5A/格)

2.7??? 組合變流器相移SPWM

??? 有源濾波和無功補償裝置要求具有良好的調節性能和足夠的輸出功率，以提供電流的超前和滯后補償，同時要求系統具有足夠的頻帶寬度以達到消除高次諧波的目的。為了實現對無功電流和高次諧波電流的有效補償，需要開關器件工作在較高的頻率下。但大功率正弦波脈寬調制（SPWM）變流器開關頻率會受限制，原因為

??? 1）大功率半導體器件的開關頻率較低；

??? 2）高的開關頻率會導致較大的開關損耗，降低系統效率。

??? 而多重化的功率變換器調節性能較差，不能完全滿足現代電網的要求。為此，由本文作者之一和加拿大B.T.Ooi教授共同提出[9]了組合變流器相移SPWM技術。相移SPWM技術的基本思想是：在變流器單元數為L_x的電壓型SPWM組合裝置中，各變流器單元采用共同的調制波信號s_m，其頻率為f_m。各變流器單元的三角載波頻率為fc，將各三角載波的相位相互錯開三角載波周期的1/L_x，如圖7(a)所示(變流器單元數L_x=5，SPWM頻率調制比f_c/f_m=3，幅度調制比m_a=0.8)。圖7(b)所示的L_x個波形分別為L_x個變流器單元的輸出，上述L_x個變流器單元交流輸出疊加形成整個組合變流器的輸出波形，如圖7(c)所示。對輸出進行頻譜分析，變流器單元之一的輸出波形頻譜如圖7(d)所示，疊加后整個組合變流器輸出波形頻譜如圖7(e)。比較圖7(d)和圖7(e)可見各變流器單元輸出疊加后形成的組合變流器總輸出波形中諧波得到了有效的抑制。

(a)??? L_x個三角載波的相位關系

(b)??? L_x個變流器單元的輸出

(c)??? 組合變流器輸出波形

(d)??? 變流器單元輸出波形頻譜

(e)??? 組合變流器輸出波形頻譜

圖7組合變流器相移SPWM技術

??? 該技術的實質是多重化和PWM技術的有機結合，能夠在低開關頻率下實現大功率變流器SPWM技術，而且顯著地減少了輸出諧波，改善了輸出波形，從而減少濾波器的容量。同時，相移SPWM變流器具有良好的動態響應和較高的傳輸頻帶，使得許多先進的控制手段得以應用，控制性能得以提高。電流型變流器由于具有直接提供電流，運行可靠，保護簡單等優點，而在許多大功率場合得到應用。例如：電網有源補償裝置，如果采用電流型相移SPWM技術可以達到結構簡單，控制特性好，響應快，頻帶寬，消除諧波能力強等優點。文獻[10]中應用于SVG和SMES的這項技術稱為相移SPWM。這就解決了大功率裝置與器件開關頻率較低的矛盾，可使GTO等特大功率器件組成的變流器用于APF裝置。因此，這種技術在APF等大功率場合中具有廣闊的應用前景。

3??? 結語

??? 本文提及的幾種比較新穎的APF控制策略。在電壓矢量基礎上實行滯環電流控制可在同樣的控制精度下，有效地降低開關頻率，減小APF的開關損耗；單周控制在一個周期內消除穩態、瞬態誤差，具有反應快、抗電源干擾、控制電路簡單等優點，是一種很有前途的控制方法；變結構控制對系統的變化和外部干擾不敏感，具有很強的魯棒性；無差拍控制是一種全數字化的控制技術。有關APF的控制策略正隨著DSP技術和智能控制理論的發展而不斷涌現。隨著控制策略的改進，APF的特性也將不斷提高，而相應的價格也必將下降。