一種新型恒頻滯環(huán)電流控制策略研究

摘要 并聯(lián)型有源電力濾波器的變環(huán)寬滯環(huán)電流控制方法是根據電流幅值的變化適時(shí)調整滯環(huán)寬度，可有效保證濾波器的補償性能，控制開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率。在傳統的變環(huán)寬滯環(huán)電流控制算法的基礎上，加入了電流限幅和頻率PI反饋控制環(huán)節，限制了較大電流的波動(dòng)，提高了頻率的控制精度，以及有源電力濾波器的電流補償性能。Matlah仿真結果表明，采用新型恒頻滯環(huán)電流控制算法進(jìn)行電流跟蹤補償時(shí)，系統的電流總畸變率小于采用傳統變環(huán)寬滯環(huán)電流控制算法時(shí)的總諧波畸變率。

關(guān)鍵詞 有源電力濾波器;諧波;變環(huán)寬;滯環(huán)電流控制

有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補償無(wú)功的新型電力電子裝置。作為能有效解決一系列電能質(zhì)量問(wèn)題的裝置，而倍受關(guān)注。其中電流控制技術(shù)是 APF性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。目前采用的電流控制方法主要有三角波電流控制、滯環(huán)電流控制及空間矢量控制等，其中滯環(huán)電流跟蹤控制方法簡(jiǎn)單易行、實(shí)時(shí)性好，可實(shí)現對電流的快速跟蹤控制，受負載參數變化影響較小，魯棒性好等優(yōu)點(diǎn);其缺點(diǎn)是輸出電壓中的諧波分量不含特定頻率諧波，開(kāi)關(guān)頻率不固定有時(shí)甚至很高，從而帶來(lái)開(kāi)關(guān)噪聲及損耗加大等問(wèn)題。有的學(xué)者提出通過(guò)模糊控制來(lái)適時(shí)調整滯環(huán)寬度，保留了滯環(huán)電流控制的優(yōu)點(diǎn)，也在一定程度上克服了開(kāi)關(guān)頻率不固定、損耗大等缺點(diǎn)。但模糊控制對控制系統的優(yōu)化調整存在一定困難。

本文提出在變環(huán)寬滯環(huán)電流控制方法的基礎上加入一個(gè)限幅環(huán)節和頻率反饋PI控制環(huán)節，既保留了其優(yōu)點(diǎn)，又增大了抗干擾能力、提高了對參考電流的跟蹤精度，有效增強了有源電力濾波器的性能。

1 電流滯環(huán)控制方案

1.1 APF主電路拓撲結構

圖1所示為最基本的有源電力濾波器系統結構的原理圖。

傳統的電流滯環(huán)控制有源電力濾波器原理如圖1所示。系統由諧波電流檢測電路、電流跟蹤控制電路、驅動(dòng)電路和主電路構成。電流跟蹤控制大多數采用滯環(huán)電流控制策略，控制策略的好壞直接影響到APF的工作性能，本文對固定環(huán)寬滯環(huán)電流控制、變環(huán)寬滯環(huán)電流控制和改進(jìn)型恒頻變環(huán)寬滯環(huán)電流控制3種方案進(jìn)行分析。

1.2 定環(huán)寬滯環(huán)電流控制方法

圖2所示為采用定環(huán)寬滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式的原理圖。

在該方式中，將補償電流的指令信號與實(shí)際的補償電流信號ic進(jìn)行比較，兩者差值作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開(kāi)關(guān)通斷的PWM信號，該PWM信號經(jīng)驅動(dòng)電路來(lái)控制開(kāi)關(guān)的通斷，從而控制補償電流ic的變化。用H表示滯環(huán)比較器的環(huán)寬，當-H≤≤H時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出保持不變;而當||>H時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出發(fā)生翻轉，假設后面的驅動(dòng)電路和主電路無(wú)延時(shí)，則補償電流ic的變化方向隨之改變。

在該控制方式中，滯環(huán)的寬度H對補償電流的跟隨性能有較大影響。當H較大時(shí)，開(kāi)關(guān)通斷的頻率即電力半導體器件的開(kāi)關(guān)頻率較低，故對電力半導體器件的要求不高，但跟蹤誤差較大，補償電流中高次諧波較大。反之，當H較小時(shí)，雖跟隨誤差小，但開(kāi)關(guān)頻率較高，增大了開(kāi)關(guān)器件的損耗，也減少了設備的使用壽命。在保證補償精度的前提下，盡可能減小器件開(kāi)關(guān)頻率尤為重要。

圖3所示為滯環(huán)電流控制電流電壓波形圖，其中，為參考諧波電流;ic為實(shí)際補償電流;分別為實(shí)際補償諧波電流的上升和下降階段;ton、toff分別為對應的上升階段時(shí)間和下降時(shí)間，Udc為直流側電容兩端的電壓，HR為滯環(huán)的環(huán)寬。由于A(yíng)PF三相相互獨立，任何一相不受其他兩相干擾。任一相電源電壓瞬時(shí)值方程為

式(1)中，L為輸出電感;k為開(kāi)關(guān)系數;e為電源相電壓;i為逆變器輸出補償電流。

以C相為例，由圖3可看出，補償電流ic隨參考諧波電上下波形，上升階段下降階段交替。當ic處于上升階段ton即時(shí)間段內

式(9)表明滯環(huán)寬度取決于輸出電感L、電源相電壓e、功率器件開(kāi)關(guān)頻率fc、參考諧波電流及直流側電壓Udc。其中e、L、Udc為定值，fc設定為期望頻率，則HB隨的變化量的變化而變化，由于將fc設定為期望頻率，根據上式能夠實(shí)時(shí)計算出滯環(huán)的寬度，通過(guò)合理的實(shí)時(shí)調整滯環(huán)的寬度來(lái)控制功率器件的恒定開(kāi)關(guān)頻率。此控制方法的原理如圖4所示。

1.3 變環(huán)寬滯環(huán)電流控制方法的改進(jìn)

變環(huán)寬滯環(huán)電流控制方法雖然在一定程度上能改善控制效果，但在仿真實(shí)驗中發(fā)現實(shí)際的開(kāi)關(guān)頻率并不能較好地跟隨期望頻率。比如將逆變器開(kāi)關(guān)頻率設定為15 kHz時(shí)，實(shí)際的開(kāi)關(guān)頻率平均值只有13 kHz，不能準確地跟隨設定值，并有較大的電流波動(dòng)產(chǎn)生，補償性能還有一定的提升空間。因此，在變環(huán)寬滯環(huán)電流控制的基礎上對指令電流計算和滯環(huán)寬度計算環(huán)節進(jìn)行改進(jìn)。如圖6所示，對指令電流加入一個(gè)限幅環(huán)節，此環(huán)節用來(lái)限制在開(kāi)關(guān)投切等動(dòng)作時(shí)可能出現的較大電流波動(dòng);對滯環(huán)寬度計算環(huán)節加入一個(gè)頻率反饋 PI調節環(huán)節，整個(gè)頻率控制環(huán)節實(shí)現閉環(huán)控制，使逆變器的實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率更接近設定頻率，從而提高電流控制方法的跟蹤精度，提升有源電力濾波器裝置治理諧波的性能。

2 Matlab仿真分析

利用Matlab軟件，構建三相獨立組合式并聯(lián)型APF的仿真模型。仿真模型參數設定為：相電壓為220 V的工頻交流電，濾波電感L為5.3 mH，直流側電壓為400 V，非線(xiàn)性負載為三相橋式不可控整流電路，負載電阻為47 Ω，負載電感為5 mH，采用恒頻變環(huán)寬滯環(huán)電流控制方法時(shí)逆變器的開(kāi)關(guān)頻率為15 kHz。

對三相獨立組合式電壓型脈寬調制APF分別采用定環(huán)寬滯環(huán)電流控制、變環(huán)寬滯環(huán)電流控制和改進(jìn)型恒頻變環(huán)寬滯環(huán)電流控制3種不同的控制策略進(jìn)行仿真分析，如圖8所示，圖中THD表示總諧波畸變率。

分析仿真結果可知：同一系統，相同電路參數的情況下，采用傳統固定環(huán)寬滯環(huán)、變環(huán)寬滯環(huán)及本文提出的新型恒頻變環(huán)寬滯環(huán)電流控制方法的電流THD分別為 3.35%、1.91%和1.56%，從仿真結果可以看出采用新型恒頻變環(huán)寬滯環(huán)電流控制策略的補償精度顯著(zhù)提高，補償效果比傳統的固定環(huán)寬滯環(huán)電流控制更加理想，證明了該改進(jìn)控制算法的有效性。

3 結束語(yǔ)

文中提出了一種新的恒頻變環(huán)寬滯環(huán)電流控制算法。該算法在傳統變環(huán)寬滯環(huán)電流控制算法的基礎上加入了限幅環(huán)節和頻率PI反饋控制環(huán)節，開(kāi)關(guān)頻率控制環(huán)節實(shí)現了閉環(huán)控制，使逆變器的實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率更加接近設定值，從而使補償性能得到提升。通過(guò)仿真證實(shí)采用該算法得到的系統總諧波畸變率明顯低于傳統算法，提高了有源電力濾波器的工作性能。