一種實(shí)用的三相有源濾波器控制策略的研究

摘要：介紹一種實(shí)用的三相有源濾波器（APF）的控制策略，APF的主要電路拓?fù)洳捎萌嗨木€制電壓型變換器。其控制電路分為兩部分：相電流基準(zhǔn)的產(chǎn)生和滯環(huán)控制脈沖調(diào)制。相電流基準(zhǔn)與相電壓同相位，幅值則根據(jù)電源、有源濾波器和負(fù)載三者之間的能量平衡來確定。滯環(huán)控制脈沖調(diào)制使相電流在一個(gè)差帶內(nèi)追隨基準(zhǔn)而變化。當(dāng)開關(guān)紋波被濾掉后，三相電流是功率因數(shù)高、失真小、對(duì)稱的電流。試驗(yàn)結(jié)果證明基于這種控制策略的有源濾波器不僅能同時(shí)完成無功補(bǔ)償、諧波抑制和三相電流平衡的三大功能，而且控制簡(jiǎn)單，可靠性高，補(bǔ)償效果好。這些優(yōu)點(diǎn)使它具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：三相有源濾波器滯環(huán)控制脈沖調(diào)制無功補(bǔ)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(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的電力電子裝置被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，然而電力電子器件所固有的非線性使得它對(duì)市電的影響如諧波污染及輸入端功率因數(shù)問題等顯得日益突出。以前，我們使用無源濾波網(wǎng)來解決諧波問題。但是，無源濾波網(wǎng)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(bǔ)償特性差等缺點(diǎn)〖1〗〖18〗。為解決功率因數(shù)校正問題，近些年來，提出了許多靜止無功補(bǔ)償器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)〖2〗〖3〗。但是一些靜止無功補(bǔ)償器本身就會(huì)產(chǎn)生低次諧波〖3〗，而且其動(dòng)態(tài)響應(yīng)也無法滿足一些特殊負(fù)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(bǔ)償，提高功率因數(shù)。例如，Akagi[16]提出了一種使用多電壓源變換器和延時(shí)PWM方案的有源濾波器。他在隨后的論文[17]中詳細(xì)描述了基于瞬時(shí)無功功率理論的控制電路，并討論了它的瞬態(tài)響應(yīng)特性。Enslin[19]通過檢測(cè)、計(jì)算負(fù)載的無功功率來確定補(bǔ)償電流，并注入電網(wǎng)。Enslin和Hayafune[20]采用微處理器來計(jì)算出補(bǔ)償電流并產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。JouH.L.[24]通過計(jì)算負(fù)載電流的基波有功部分來決定補(bǔ)償電流，并注入電網(wǎng)。以上種種有源濾波器的控制方法都需檢測(cè)負(fù)載電流的波形，然后作相應(yīng)的處理，產(chǎn)生補(bǔ)償電流的基準(zhǔn)。WuJ.C.和JouH.L.[25]在1996年提出了一種簡(jiǎn)化的單相有源濾波器的控制方法，這種控制方法檢測(cè)的是進(jìn)線電源電流的波形，而且只產(chǎn)生電源電流的基準(zhǔn)，不產(chǎn)生補(bǔ)償電流的基準(zhǔn)，所以進(jìn)線電源電流才是直接控制的量。

　　本文所述的實(shí)用三相有源濾波器的控制策略，是對(duì)“簡(jiǎn)化控制方法”的擴(kuò)充和改進(jìn)，并應(yīng)用于三相有源濾波器，不僅實(shí)現(xiàn)方便、可靠，而且采用動(dòng)態(tài)電流帶寬控制后的三相有源濾波器除了能實(shí)現(xiàn)對(duì)無功的補(bǔ)償和對(duì)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(zhì)量以及輸電線的輸送效率。

2三相有源濾波器的主電路結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1三相并聯(lián)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(chǔ)能元件，C1和C2容值相等。開關(guān)S1，S4組成A相的半橋變換器，當(dāng)橋臂開通和關(guān)斷時(shí)，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(gè)變換器可以工作在整流狀態(tài)，也可以工作在逆變狀態(tài)。同樣，開關(guān)S3，S6組成的B相半橋變換器和開關(guān)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(tài)。電感L0和電容C0組成一個(gè)低通濾波器，其作用為消除變換器產(chǎn)生的開關(guān)紋波。

　　本文所討論的實(shí)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(shè)定三個(gè)與相電壓同相，僅含基波，并相互間幅值相等的相電流基準(zhǔn)，通過對(duì)各相變換器的控制使相電流ia,ib,ic在一個(gè)差帶內(nèi)追隨基準(zhǔn)而變化。因?yàn)榛鶞?zhǔn)是幅值相等，且與相電壓同相位的正弦波，所以當(dāng)用附加的無源濾波器濾掉開關(guān)頻帶后，相電流iA,iB,iC是功率因數(shù)高，失真小，對(duì)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(wěn)態(tài)下，負(fù)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(chǔ)能元件，因此變換器可以與電源和負(fù)載交換能量，負(fù)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(fù)載之間交換。負(fù)載所需的不對(duì)稱功率由電源經(jīng)變換器相與相之間能量交換后提供給負(fù)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(bǔ)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(fù)載所需，則直流電容電壓下降，控制電路檢測(cè)到電容電壓下降后將同時(shí)增大各相電流基準(zhǔn)的幅值，以增加電源供給的有功。相反，當(dāng)直流電容電壓上升時(shí)，將同時(shí)減小各相電流基準(zhǔn)的幅值，最終使能量的供需達(dá)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(zhǔn)電流的幅值，實(shí)現(xiàn)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(cè)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(cè)三相進(jìn)線電壓，產(chǎn)生與相電壓同相的單位正弦波Sk。Uref為設(shè)定的電容電壓期望值，它與（Uc2＋Uc1）的誤差e經(jīng)比例積分后得到的電平R，來調(diào)節(jié)基準(zhǔn)的幅值，使電源和負(fù)載之間能量平衡。反饋到電流平衡整定電路，產(chǎn)生微調(diào)電平Tk微調(diào)基準(zhǔn)幅值，使三相電流基準(zhǔn)幅值完全相等。這使得三相電壓對(duì)稱時(shí)，進(jìn)線上的三相功率對(duì)稱。Uc2與Uc1的差經(jīng)比例積分后得到誤差ε，加在電流基準(zhǔn)上，使相電流有一個(gè)可調(diào)節(jié)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(guān)于這一點(diǎn)將在后面詳細(xì)討論）。所以電流基準(zhǔn)由Sk,R,Tk和ε四個(gè)量決定：(1)

　　基準(zhǔn)電流上下浮動(dòng)δ，形成一個(gè)2δ的帶寬，我們采用滯環(huán)控制脈沖調(diào)制的方法控制半橋變換器上下臂的開通和關(guān)斷，使相電流ik在差帶內(nèi)上升和下降，從面實(shí)現(xiàn)有源濾波器的三大功能。

圖2控制方框圖

　　假設(shè)系統(tǒng)電壓恒定，負(fù)載恒定，則負(fù)載電流i1k(k=a,b,c)穩(wěn)定。i1k可為不對(duì)稱、非線性電流，含有無功及諧波。相電流ik為負(fù)載電流i1k和補(bǔ)償電流ifk之和。所以如果能控制補(bǔ)償電流ifk，便可控制相電流ik。滯環(huán)控制脈沖調(diào)制器的典型工作模式如圖3所示。

　　開關(guān)器件S1和S4組成A相的半橋變換器，通過對(duì)相電流基準(zhǔn)幅值的調(diào)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(guān)斷S1，此時(shí)若ifa>0，則ifa流經(jīng)S4使C2放電，Uc2降低，ifa增大，ia增大；若ifa<0， 則 ifa流 經(jīng) 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(dǎo) 通 時(shí) ifa和 ia增 大 （ dia/dt>0）?！　‘?dāng)ia增長(zhǎng)到略大于＋δ時(shí)，關(guān)斷S4，開通S1，此時(shí)若ifa>0，則ifa流經(jīng)上橋臂反向二極管給C1正向充電，Uc1升高，ifa減小，ia減??；若ifa<0， 則 ifa流 經(jīng) S1使 C1放 電 ， UC1降 低 ， ifa減 小 ， ia減 小 。 所 以 上 橋 臂 導(dǎo) 通 時(shí) ， ifa和 ia減 小 （ dia/dt<0） 。 當(dāng) ia下 降 到 略 小 于 － δ 時(shí) ， 再 次 開 通 S4， 關(guān) 斷 S1， 依 次 類 推 ， 通 過 這 個(gè) 半 橋 變 換 器 上 下 橋 臂 的 開 通 和 關(guān) 斷 ， 可 使 相 電 流 ia在 一 個(gè) 差 帶 2δ 內(nèi) 追 隨 相 電 流 基 準(zhǔn) 變 化 ， 如 圖 3所 示 。

　　以上以A相為例闡述了滯環(huán)控制脈沖調(diào)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(huán)控制脈沖調(diào)制是相對(duì)獨(dú)立的。　　因?yàn)閰⒖茧娏?k=a,b,c)為三相對(duì)稱正弦基波，而主電流ik(k=a,b,c)在動(dòng)態(tài)電流帶寬控制下追蹤參考電流，經(jīng)無源濾波后，開關(guān)頻率很容易被濾掉，只剩下所需的三相對(duì)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(fù)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(dǎo)通的過程中，無論ifk流入還是流出變換器，都會(huì)引起UC1和UC2的波動(dòng)。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(huán)控制脈沖調(diào)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?yàn)閐ifk/dt的值受交流相電壓的瞬時(shí)值的影響。在ifk<0的 情 況 下 亦 同 。

　　當(dāng)ifk含有直流分量時(shí)，即使很微小，電荷也會(huì)累積在直流電容上，使UC1和UC2失去對(duì)稱。如果給參考電流增加一個(gè)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(gè)可接受的范圍內(nèi)。直流分量ε是由上下電容電壓的差值ΔU(ΔU=UC2－UC1)經(jīng)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(gè) 帶 寬 值 （ 2δ ） ， 以 及 由 帶 寬 所 決 定 的 開 關(guān) 頻 率 。 直 流 分 量 ε 對(duì) 電 容 電 壓 的 影 響 如 下 ： 直流電容電壓的波動(dòng)也會(huì)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(huì)有開關(guān)頻率的紋波，而且還有同中線電流i0相應(yīng)用的紋波。

4電感L1和工作頻率的選取

　　上橋臂導(dǎo)通時(shí),ifa減小；下橋臂導(dǎo)通時(shí)，ifa增長(zhǎng)：

　　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(wǎng)的設(shè)計(jì)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(nèi)。

5對(duì)電路的仿真

　　用PSPICE軟件對(duì)以上三相有源濾波器時(shí)進(jìn)行仿真，

　?。?）相電壓有效值：110VAC

　?。?）UC1和UC2的平均電壓：180VDC

　　（3）電感L1:3mH

　　得負(fù)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(guān)紋波外就是一個(gè)正弦波，它與相電壓同相。而高頻的開關(guān)紋波很容易用外加的無源網(wǎng)絡(luò)濾掉。

6實(shí)驗(yàn)結(jié)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(fù)載電流和主電路電流

　　電感L1：2.5mH

　　補(bǔ)償功率：2.5kVA

　　工作頻帶：3k到7k

　　LC無源濾波器網(wǎng)：L0=500μH，C0=30μF

　　非線性負(fù)載電路如圖5所示，其非線性電流如圖6所示，經(jīng)補(bǔ)償后的主電路電流如圖7所示。

　　用HP35663A型動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)量得A、B、C相進(jìn)線電流的THD分別為3.9％、3.8％、3.9％。用功率因數(shù)表測(cè)入A、B、C相的功率因數(shù)分別為0.999,0.997,0.998。三相電流的不對(duì)稱度為2.1％。

圖5實(shí)驗(yàn)用的非線性負(fù)載

圖6非線性負(fù)載電流

圖7經(jīng)補(bǔ)償后的主電路電流

7結(jié)論

　　綜上所述，實(shí)用三相有源濾波器對(duì)市電有無功補(bǔ)償、諧波抑制及平衡進(jìn)線電流的作用。實(shí)驗(yàn)證明它的補(bǔ)償效果是好的，而且它可根據(jù)市電對(duì)無功和諧波的需求量進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)臒o功量不受系統(tǒng)電壓的限制。它的控制簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，具有廣闊的應(yīng)用前景。