有源電力濾波器控制策略綜述

單周控制法作為一種新型非線(xiàn)性控制技術(shù)，它可應用于PWM控制、軟開(kāi)關(guān)等。這種方法的基本思想是控制開(kāi)關(guān)占空比，在每個(gè)周期內強迫開(kāi)關(guān)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(gè)周期內自動(dòng)消除穩態(tài)、瞬態(tài)誤差，前一周期的誤差不會(huì )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(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)逆變器，具有反應快、開(kāi)關(guān)頻率恒定、魯棒性強、易于實(shí)現、控制電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，此外，單周控制還能優(yōu)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(jīng)得到充分的研究。作為一種調制方式，該技術(shù)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(jiǎn)單可靠、控制效果好的優(yōu)點(diǎn)、不僅具有重要的理論意義，而且也具有很好的工程應用價(jià)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(wú)源濾波器對負載的諧波電流進(jìn)行濾波，并提供一定的基波無(wú)功補償；而有源濾波器則起改善無(wú)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(wú)源濾波器特性的一些固有缺陷。這樣既可以改善無(wú)源濾波器的濾波效果，防止其與電網(wǎng)之間發(fā)生諧振，又避免了并聯(lián)有源濾波器的諧波電流注入并聯(lián)的無(wú)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(shí)無(wú)功理論為基礎。通過(guò)對電力系統中無(wú)功和諧波電流的檢測計算來(lái)實(shí)現無(wú)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(shí)現閉環(huán)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(jiǎn)稱(chēng)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(xué)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(shí)現了對電源電流和電容電壓的閉環(huán)控制，具有良好的控制性能，是一種簡(jiǎn)單有效且易于實(shí)現的方法。

2.5 無(wú)差拍控制[5][6]

無(wú)差拍控制（Dead Beat Control，簡(jiǎn)稱(chēng)DBC）是一種全數字化的控制技術(shù)，其基本思想是將輸出參數波形等間隔地劃分為若干個(gè)取樣周期。根據電路在每一取樣周期的起始值，預測在關(guān)于取樣周期中心對稱(chēng)的方波脈沖作用下某電路變量在取樣周期末尾時(shí)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(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應很快，易于計算機執行。無(wú)差拍控制逆變器也存在如下諸多缺點(diǎn)：

1）對系統參數依賴(lài)性較大；

2）魯俸性較差；

3）瞬態(tài)響應的超調量大；

4）計算的實(shí)時(shí)性強，對硬件要求高。

為克服DBC的以上種種不足，國內外學(xué)者做了一些大膽嘗試。文獻[7]中提出了一種帶負載電流觀(guān)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(gè)二階觀(guān)測器分別觀(guān)測狀態(tài)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(zhì)的適應性。隨著(zhù)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A(yíng)PF中，跟蹤參考信號的控制方法是決定有源濾波器補償質(zhì)量的關(guān)鍵。因為，只有求得補償信號參考值后，才能通過(guò)反饋環(huán)節和控制變流器的開(kāi)關(guān)元件使變流器產(chǎn)生與參考信號相等的實(shí)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(kāi)關(guān)頻率比較低的情況下也有著(zhù)良好的動(dòng)靜態(tài)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(xiàn)性負載和濾波器的并聯(lián)等效為一電阻性負載。假設電網(wǎng)電壓無(wú)畸變傅里葉展開(kāi)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(wǎng)側電流可表示為

i_s=ku_s=kUsinωt（2）

式中：k為復合非線(xiàn)性負載和濾波器的組合電導。

電網(wǎng)電流是與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波且沒(méi)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(shí)驗電路，相應參數見(jiàn)表1，結果見(jiàn)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)