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(jù)電流幅值的變化適時調(diào)整滯環(huán)寬度，可有效保證濾波器的補償性能，控制開關(guān)器件的開關(guān)頻率。在傳統(tǒng)的變環(huán)寬滯環(huán)電流控制算法的基礎(chǔ)上，加入了電流限幅和頻率PI反饋控制環(huán)節(jié)，限制了較大電流的波動，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(jié)果表明，采用新型恒頻滯環(huán)電流控制算法進行電流跟蹤補償時，系統(tǒng)的電流總畸變率小于采用傳統(tǒng)變環(huán)寬滯環(huán)電流控制算法時的總諧波畸變率。

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)是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無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單易行、實時性好，可實現(xiàn)對電流的快速跟蹤控制，受負(fù)載參數(shù)變化影響較小，魯棒性好等優(yōu)點;其缺點是輸出電壓中的諧波分量不含特定頻率諧波，開關(guān)頻率不固定有時甚至很高，從而帶來開關(guān)噪聲及損耗加大等問題。有的學(xué)者提出通過模糊控制來適時調(diào)整滯環(huán)寬度，保留了滯環(huán)電流控制的優(yōu)點，也在一定程度上克服了開關(guān)頻率不固定、損耗大等缺點。但模糊控制對控制系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)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(chǔ)上加入一個限幅環(huán)節(jié)和頻率反饋PI控制環(huán)節(jié)，既保留了其優(yōu)點，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1所示為最基本的有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的原理圖。

傳統(tǒng)的電流滯環(huán)控制有源電力濾波器原理如圖1所示。系統(tǒng)由諧波電流檢測電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路構(gòu)成。電流跟蹤控制大多數(shù)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)電流控制和改進型恒頻變環(huán)寬滯環(huán)電流控制3種方案進行分析。

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際的補償電流信號ic進行比較，兩者差值作為滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)通斷的PWM信號，該PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路來控制開關(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(dāng)-H≤≤H時，滯環(huán)比較器的輸出保持不變;而當(dāng)||>H時，滯環(huán)比較器的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，假設(shè)后面的驅(qū)動電路和主電路無延時，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(dāng)H較大時，開關(guān)通斷的頻率即電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率較低，故對電力半導(dǎo)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(dāng)H較小時，雖跟隨誤差小，但開關(guān)頻率較高，增大了開關(guān)器件的損耗，也減少了設(shè)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為實際補償電流;分別為實際補償諧波電流的上升和下降階段;ton、toff分別為對應(yīng)的上升階段時間和下降時間，Udc為直流側(cè)電容兩端的電壓，HR為滯環(huán)的環(huán)寬。由于APF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值方程為

式(1)中，L為輸出電感;k為開關(guān)系數(shù);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(dāng)ic處于上升階段ton即時間段內(nèi)

式(9)表明滯環(huán)寬度取決于輸出電感L、電源相電壓e、功率器件開關(guān)頻率fc、參考諧波電流及直流側(cè)電壓Udc。其中e、L、Udc為定值，fc設(shè)定為期望頻率，則HB隨的變化量的變化而變化，由于將fc設(shè)定為期望頻率，根據(jù)上式能夠?qū)崟r計算出滯環(huán)的寬度，通過合理的實時調(diào)整滯環(huán)的寬度來控制功率器件的恒定開關(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

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，但在仿真實驗中發(fā)現(xiàn)實際的開關(guān)頻率并不能較好地跟隨期望頻率。比如將逆變器開關(guān)頻率設(shè)定為15 kHz時，實際的開關(guān)頻率平均值只有13 kHz，不能準(zhǔn)確地跟隨設(shè)定值，并有較大的電流波動產(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(chǔ)上對指令電流計算和滯環(huán)寬度計算環(huán)節(jié)進行改進。如圖6所示，對指令電流加入一個限幅環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)用來限制在開關(guān)投切等動作時可能出現(xiàn)的較大電流波動;對滯環(huán)寬度計算環(huán)節(jié)加入一個頻率反饋 PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，整個頻率控制環(huán)節(jié)實現(xiàn)閉環(huán)控制，使逆變器的實際開關(guān)頻率更接近設(shè)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(gòu)建三相獨立組合式并聯(lián)型APF的仿真模型。仿真模型參數(shù)設(shè)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(cè)電壓為400 V，非線性負(fù)載為三相橋式不可控整流電路，負(fù)載電阻為47 Ω，負(fù)載電感為5 mH，采用恒頻變環(huán)寬滯環(huán)電流控制方法時逆變器的開關(guān)頻率為15 kHz。

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

分析仿真結(jié)果可知：同一系統(tǒng)，相同電路參數(shù)的情況下，采用傳統(tǒng)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(jié)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提高，補償效果比傳統(tǒng)的固定環(huán)寬滯環(huán)電流控制更加理想，證明了該改進控制算法的有效性。

3 結(jié)束語

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(tǒng)變環(huán)寬滯環(huán)電流控制算法的基礎(chǔ)上加入了限幅環(huán)節(jié)和頻率PI反饋控制環(huán)節(jié)，開關(guān)頻率控制環(huán)節(jié)實現(xiàn)了閉環(huán)控制，使逆變器的實際開關(guān)頻率更加接近設(shè)定值，從而使補償性能得到提升。通過仿真證實采用該算法得到的系統(tǒng)總諧波畸變率明顯低于傳統(tǒng)算法，提高了有源電力濾波器的工作性能。