一種實用的三相有源濾波器控制策略的研究

摘要：介紹一種實用的三相有源濾波器（APF）的控制策略，APF的主要電路拓撲采用三相四線制電壓型變換器。其控制電路分為兩部分：相電流基準的產生和滯環控制脈沖調制。相電流基準與相電壓同相位，幅值則根據電源、有源濾波器和負載三者之間的能量平衡來確定。滯環控制脈沖調制使相電流在一個差帶內追隨基準而變化。當開關紋波被濾掉后，三相電流是功率因數高、失真小、對稱的電流。試驗結果證明基于這種控制策略的有源濾波器不僅能同時完成無功補償、諧波抑制和三相電流平衡的三大功能，而且控制簡單，可靠性高，補償效果好。這些優點使它具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：三相有源濾波器滯環控制脈沖調制無功補償諧波抑制三相電流平衡

An Improved Control Method for Three－ phase Active Power Filter

Abstract:In this paper a three－ phase active power filter with an improved control method is described in detail. Its topology of main circuit adopts the three－ phase four－ wire voltage－ source converter with split－ capacitors. The control circuit generates current references for mains currents to follow with dynamic hysteresis－ band current controller. The proposed active power filter may provide the following multifunction at the same time:reacive power compensation,harmonic suppression and cureent balance in three－ phase power system. Experimental results prove that the control method has the following features:simple control circuit, high system reliability and good ability of reactive power compensation, harmonic suppression and current balance.

Keywords:Three－ phase active power filter Reactive power compensation Harmonic suppression Current balance Current reference Dynamic hystersis－ band current control

1引言

　　隨著電力電子技術的不斷發展，越來越多的電力電子裝置被廣泛應用于各種領域，然而電力電子器件所固有的非線性使得它對市電的影響如諧波污染及輸入端功率因數問題等顯得日益突出。以前，我們使用無源濾波網來解決諧波問題。但是，無源濾波網的濾波特性是非選擇性的，而且它也具有一些如體積大，容易引起諧振，補償特性差等缺點〖1〗〖18〗。為解決功率因數校正問題，近些年來，提出了許多靜止無功補償器的拓撲結構〖2〗〖3〗。但是一些靜止無功補償器本身就會產生低次諧波〖3〗，而且其動態響應也無法滿足一些特殊負載的要求。

　　為此，人們提出了一系列有源濾波器（APF）方案來〖3－23〗解決諧波和無功補償，提高功率因數。例如，Akagi[16]提出了一種使用多電壓源變換器和延時PWM方案的有源濾波器。他在隨后的論文[17]中詳細描述了基于瞬時無功功率理論的控制電路，并討論了它的瞬態響應特性。Enslin[19]通過檢測、計算負載的無功功率來確定補償電流，并注入電網。Enslin和Hayafune[20]采用微處理器來計算出補償電流并產生開關信號。JouH.L.[24]通過計算負載電流的基波有功部分來決定補償電流，并注入電網。以上種種有源濾波器的控制方法都需檢測負載電流的波形，然后作相應的處理，產生補償電流的基準。WuJ.C.和JouH.L.[25]在1996年提出了一種簡化的單相有源濾波器的控制方法，這種控制方法檢測的是進線電源電流的波形，而且只產生電源電流的基準，不產生補償電流的基準，所以進線電源電流才是直接控制的量。

　　本文所述的實用三相有源濾波器的控制策略，是對“簡化控制方法”的擴充和改進，并應用于三相有源濾波器，不僅實現方便、可靠，而且采用動態電流帶寬控制后的三相有源濾波器除了能實現對無功的補償和對諧波電流的抑制外，還可平衡輸電線上的三相電流。因此，它可提高電能質量以及輸電線的輸送效率。

2三相有源濾波器的主電路結構及工作原理

圖1三相并聯有源濾波器的主電路

　　有源濾波器的主電路采用三相四線制電壓型變換器，如圖1所示。電壓型變換器直流母線上的直流電容C1和C2用作儲能元件，C1和C2容值相等。開關S1，S4組成A相的半橋變換器，當橋臂開通和關斷時，電感L1上的電壓使ifa線性上升或下降，由此控制ifa的大小，相位和波形，從而可以控制A相的輸入電流ia。這個變換器可以工作在整流狀態，也可以工作在逆變狀態。同樣，開關S3，S6組成的B相半橋變換器和開關S5，S2組成的C相半橋變換器可以分別控制B相和C相的輸入電流，它們也都可以工作在整流和逆變狀態。電感L0和電容C0組成一個低通濾波器，其作用為消除變換器產生的開關紋波。

　　本文所討論的實用三相有源濾波器的控制策略的基本思想為：為三相輸入相電流設定三個與相電壓同相，僅含基波，并相互間幅值相等的相電流基準，通過對各相變換器的控制使相電流ia,ib,ic在一個差帶內追隨基準而變化。因為基準是幅值相等，且與相電壓同相位的正弦波，所以當用附加的無源濾波器濾掉開關頻帶后，相電流iA,iB,iC是功率因數高，失真小，對稱的電流。

　　如果忽略有源濾波器的損耗，變換器不吸收能量也不放出能量，在穩態下，負載消耗的能量等于電源提供的能量，即輸入輸出功率保持平衡。直流母線上的電容為儲能元件，因此變換器可以與電源和負載交換能量，負載所需的無功功率是通過與有源濾波器的交換而獲得的。無功僅在有源濾波器與負載之間交換。負載所需的不對稱功率由電源經變換器相與相之間能量交換后提供給負載。

　　如果輸入輸出功率失去平衡，不平衡部分的能量將由直流電容補給或吸收，由此引起電容電壓的變化。如果電源供給的有功小于負載所需，則直流電容電壓下降，控制電路檢測到電容電壓下降后將同時增大各相電流基準的幅值，以增加電源供給的有功。相反，當直流電容電壓上升時，將同時減小各相電流基準的幅值，最終使能量的供需達到平衡。直流母線上電容電壓的平均值可提供功率是否平衡的信息。我們通過反饋控制來決定基準電流的幅值，實現輸入和輸出功率之間的平衡。

3控制方框圖　　圖2所示為有源濾波器的控制方框圖。在有源濾波器的控制中，需檢測的量有：相電流ik,相電壓uk，上下直流電容上的電壓Uc1和Uc2。檢測三相進線電壓，產生與相電壓同相的單位正弦波Sk。Uref為設定的電容電壓期望值，它與（Uc2＋Uc1）的誤差e經比例積分后得到的電平R，來調節基準的幅值，使電源和負載之間能量平衡。反饋到電流平衡整定電路，產生微調電平Tk微調基準幅值，使三相電流基準幅值完全相等。這使得三相電壓對稱時，進線上的三相功率對稱。Uc2與Uc1的差經比例積分后得到誤差ε，加在電流基準上，使相電流有一個可調節的直流分量，保證工作過程中C1和C2上電壓的平均值相等。（關于這一點將在后面詳細討論）。所以電流基準由Sk,R,Tk和ε四個量決定：(1)

　　基準電流上下浮動δ，形成一個2δ的帶寬，我們采用滯環控制脈沖調制的方法控制半橋變換器上下臂的開通和關斷，使相電流ik在差帶內上升和下降，從面實現有源濾波器的三大功能。

圖2控制方框圖

　　假設系統電壓恒定，負載恒定，則負載電流i1k(k=a,b,c)穩定。i1k可為不對稱、非線性電流，含有無功及諧波。相電流ik為負載電流i1k和補償電流ifk之和。所以如果能控制補償電流ifk，便可控制相電流ik。滯環控制脈沖調制器的典型工作模式如圖3所示。

　　開關器件S1和S4組成A相的半橋變換器，通過對相電流基準幅值的調整，使Uc1和Uc2的平均值恒定。為使有源濾波器能正常工作，Uc1和Uc2必須大于輸入電壓的峰值。

　　開通S4，關斷S1，此時若ifa>0，則ifa流經S4使C2放電，Uc2降低，ifa增大，ia增大；若ifa<0， 則 ifa流 經 下 橋 臂 反 向 二 極 管 給 C2正 向 充 電 ， Uc2升 高 ， ifa增 大 ， ia增 大 。 所 以 下 橋 臂 導 通 時 ifa和 ia增 大 （ dia/dt>0）。　　當ia增長到略大于＋δ時，關斷S4，開通S1，此時若ifa>0，則ifa流經上橋臂反向二極管給C1正向充電，Uc1升高，ifa減小，ia減小；若ifa<0， 則 ifa流 經 S1使 C1放 電 ， UC1降 低 ， ifa減 小 ， ia減 小 。 所 以 上 橋 臂 導 通 時 ， ifa和 ia減 小 （ dia/dt<0） 。 當 ia下 降 到 略 小 于 － δ 時 ， 再 次 開 通 S4， 關 斷 S1， 依 次 類 推 ， 通 過 這 個 半 橋 變 換 器 上 下 橋 臂 的 開 通 和 關 斷 ， 可 使 相 電 流 ia在 一 個 差 帶 2δ 內 追 隨 相 電 流 基 準 變 化 ， 如 圖 3所 示 。

　　以上以A相為例闡述了滯環控制脈沖調制器的工作原理。三相有源濾波器的主電路為三相半橋式。各相的滯環控制脈沖調制是相對獨立的。　　因為參考電流(k=a,b,c)為三相對稱正弦基波，而主電流ik(k=a,b,c)在動態電流帶寬控制下追蹤參考電流，經無源濾波后，開關頻率很容易被濾掉，只剩下所需的三相對稱基波，所以輸入端的傳輸線上的電流三相平衡，電源中線上無零序電流流過，非線性負載所需的零序電流全部由有源濾波器來提供。

　　在變換器上下橋臂依次導通的過程中，無論ifk流入還是流出變換器，都會引起UC1和UC2的波動。表1概括了電流ifk的各種情況所引起的電容C1和C2上的電壓變化。

表1電容電壓UC1和UC2變化狀況

圖3滯環控制脈沖調制器的典型工作模式

在ifk>0的情況下，UC1升高，UC2降低，但是它們的變化值并不相等。因為difk/dt的值受交流相電壓的瞬時值的影響。在ifk<0的 情 況 下 亦 同 。

　　當ifk含有直流分量時，即使很微小，電荷也會累積在直流電容上，使UC1和UC2失去對稱。如果給參考電流增加一個可控制的微小的直流分量ε，就可控制上下電容電壓平均值的差值，將它限制在一個可接受的范圍內。直流分量ε是由上下電容電壓的差值ΔU(ΔU=UC2－UC1)經比例積分而定的，

　　可見，加入了直流分量ε（－δ<ε <δ ） 后 ， 改 變 了 參 考 電 流 的 上 下 帶 的 值 ， 但 并 不 改 變 整 個 帶 寬 值 （ 2δ ） ， 以 及 由 帶 寬 所 決 定 的 開 關 頻 率 。 直 流 分 量 ε 對 電 容 電 壓 的 影 響 如 下 ： 直流電容電壓的波動也會隨參考電流的幅值和帶寬的變化而變化。此外，(UC1＋UC2)和(UC2－UC1)不僅會有開關頻率的紋波，而且還有同中線電流i0相應用的紋波。

4電感L1和工作頻率的選取

　　上橋臂導通時,ifa減小；下橋臂導通時，ifa增長：

　　給定uA,確定UC1和UC2的平均值，半橋變換器的最大和最小工作頻率取決于電感L1和差帶2δ的值。L1和差帶2δ都與頻率成反比。

　　在綜合考慮無源濾波網的設計和器件的頻率特性后，我們可以通過L1和差帶2δ值的選取使半橋變換器工作在一定的頻帶內。

5對電路的仿真

　　用PSPICE軟件對以上三相有源濾波器時進行仿真，

　　（1）相電壓有效值：110VAC

　　（2）UC1和UC2的平均電壓：180VDC

　　（3）電感L1:3mH

　　得負載電流i1a以及A相電流ia如圖4所示。

　　由圖4可看到，A相電流ia除了開關紋波外就是一個正弦波，它與相電壓同相。而高頻的開關紋波很容易用外加的無源網絡濾掉。

6實驗結果

　　三相輸入電壓：110VAC

　　直流母線電壓：370VDC

圖4仿真得到的A相負載電流和主電路電流

　　電感L1：2.5mH

　　補償功率：2.5kVA

　　工作頻帶：3k到7k

　　LC無源濾波器網：L0=500μH，C0=30μF

　　非線性負載電路如圖5所示，其非線性電流如圖6所示，經補償后的主電路電流如圖7所示。

　　用HP35663A型動態信號分析儀測量得A、B、C相進線電流的THD分別為3.9％、3.8％、3.9％。用功率因數表測入A、B、C相的功率因數分別為0.999,0.997,0.998。三相電流的不對稱度為2.1％。

圖5實驗用的非線性負載

圖6非線性負載電流

圖7經補償后的主電路電流

7結論

　　綜上所述，實用三相有源濾波器對市電有無功補償、諧波抑制及平衡進線電流的作用。實驗證明它的補償效果是好的，而且它可根據市電對無功和諧波的需求量進行自動補償，補償的無功量不受系統電壓的限制。它的控制簡單，實現方便，具有廣闊的應用前景。