并聯有源濾波器PWM控制策略比較與實驗分析

吳 峰，鄭建勇，梅 軍，王立峰

（1.東南大學電氣工程學院，南京 210096；2.東南大學蘇州研究院電氣設備與自動化重點實驗室，蘇州 215123）

有源電力濾波器APF（active power filter）作為能夠動態消除諧波并且補償無功的電力電子設備，近年來越來越受到人們的普遍關注。APF通過改變其控制策略，可以針對不同諧波源進行諧波治理。電壓源逆變器由于其固有的經濟、高效和快速等優點被廣泛采用。補償效果主要由取決于檢測準確度和控制精度。有源電力濾波器的電流跟蹤控制電路就是依據指令電流運算電路得到的指令信號，通過控制主電路開關器件的開通與關斷使最終輸出電流能夠實時跟蹤指令電流的變化。

當今，APF應用的脈沖寬度調制PWM（pulse width modulation）控制方法主要有以下幾種：采用滯環的控制方式，采用三角載波比較的控制方式，定時比較的控制方式和基于空間矢量的控制方式等。每種方式都各有其優缺點，實際工程中均有應用。本文針對這幾種電流控制方式進行了比較說明，并在MATLAB／SIMULINK軟件中對有源電力濾波器應用的三種控制策略進行了仿真分析，并給出了開關頻率頻譜分析及電流跟蹤誤差的仿真波形，同時給出對應不同控制算法的抑制開關頻率附近諧波的濾波器的設計原則。針對三角載波PWM控制策略搭建試驗平臺，驗證控制算法的正確性，說明有源濾波器良好的補償效果。

1 諧波電流檢測技術

諧波電流檢測技術的好壞對有源電力濾波器的性能有較大影響，兩個主要因素是檢測精度和延時。目前工程上常用的主流諧波檢測方法包括基于頻域分析的快速傅里葉變換檢測法［1］，基于瞬時功率理論的諧波電流檢測法［2，3］，基于自適應干擾抵消原理的檢測法［4］，基于神經網絡的檢測法［5］，基于Fryze時域分析的有功電流檢測法［6］等。

基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測法不受電網電壓波形畸變影響，在檢測電流諧波的同時還可以檢測無功，但是檢測延時時間長短受低通濾波器影響，而且無法檢測出各次諧波，因此有一定的局限性。快速傅里葉變換檢測法檢測精度高，可以單獨檢測各次諧波，但是缺點明顯，其計算量大，實時性較差，改進的滑窗算法有一定的實用性。自適應諧波電流檢測法同樣不受電網電壓波形畸變的影響，有良好的檢測精度，但是參考電壓幅值對檢測結果有較大影響，幅值較小時檢測精度高但動態響應緩慢，因此在選取參考電壓信號時，既要考慮檢測精度，又要兼顧響應時間。由學者Fryze提出，經Buchholz和Dpenbrock改進的FBD（fryze－Buchholz－Dpenbrock）法不需進行復雜的矩陣變化，可以直接檢測出基波正序有功和無功分量，該方法可以用于三相三線或三相四線制線路，但此種方法目前僅停留在理論分析與仿真階段，尚未投入到工程應用。

諧波檢測是研究和分析諧波問題的主要依據和出發點，也是進行諧波抑制的關鍵技術問題，相關研究工作仍在不斷推進。

2 電流跟蹤PWM控制技術

電流跟蹤控制技術是APF的另一項核心技術，直接決定補償性能，其控制目標要求使得逆變器輸出迅速、準確地跟隨參考信號變化，具有良好的自適應性和魯棒性。

2.1 基于滯環的控制技術

滯環控制原理圖如圖1所示。補償電流的跟隨性能與滯環比較器的環寬H有著密切的關系。如果H值比較大，則開關頻率較低，雖然對電力半導體器件要求降低，但有較大跟隨誤差。如果H值比較小，雖然跟蹤誤差會降低，但是開關頻率會因此而提高，將對半導體器件提出更高要求［7］。

圖1 電流滯環控制原理Fig.1 Schematic of hysteresis current control strategy

使用滯環比較器的瞬時值比較方式，一般環寬是固定不變的，導致主電路電力半導體器件的開關頻率不斷變化。利用DSP進行數字控制時，可以通過定時器控制開關頻率，這樣就不會因為頻率過高而損壞器件。

2.2 基于三角載波的控制技術

圖2為三角載波控制原理，其將i＊c和ic的差值Δic經比例放大器后再與三角載波比較。此系統是按照把Δic控制為最小而設計的。

圖2 三角載波控制原理Fig.2 Schematic of triangular carrier current control strategy

三角載波控制的好處是開關器件的頻率是固定值，其值與三角載波頻率相等，方便濾除開關頻率附近的高次諧波，但是實現比較復雜，跟隨誤差較大，響應較慢。

2.3 基于定時比較的控制技術

為了克服滯環電流控制頻率不固定的缺點，定時比較控制器被提出，用一個由時鐘控制的比較器代替置換比較器，每個時鐘周期對Δic判斷一次，使PWM信號至少一個時鐘周期才變化一次，器件的開關頻率就被限制在時鐘頻率一半以內，可保護器件，定時比較控制原理圖如圖3所示。

圖3 定時比較控制原理Fig.3 Schematic of timing comparison control strategy

該方式的缺點是補償電流誤差不固定，從波形上看就是毛刺忽大忽小，補償效果欠佳。

2.4 基于空間矢量的控制技術

空間矢量脈寬調制SVPWM（space vector pulse width modulation）控制技術是利用逆變器空間電壓矢量的切換來獲得準圓形磁場，產生穩定的電磁轉矩，從而在不高的開關頻率下獲得較好性能的控制技術［8，9］。

根據開關頻率固定與否，又可將空間矢量技術分為兩大類：一類是基于固定開關頻率的SVPWM，即使逆變器輸出的空間電壓跟蹤同步旋轉坐標系中電流調節器輸出的空間電壓矢量，從而控制電流；另一類是基于滯環的空間矢量控制技術，它是利用電流偏差矢量空間分布給出最優的電壓矢量切換，使電流偏差控制在環寬以內。其控制原理圖如圖4所示。該方法直流電壓利用率高，易于數字實現，但是計算量較大，對處理器運算速度要求高。

圖4 基于滯環的空間矢量控制原理Fig.4 Schematic of hysteresis space vector control strategy

有源電力濾波器的控制方法還有單周控制法，無差拍控制法，變結構控制法，模糊控制法等，各有其特點，本文不再贅述［10～12］。

3 仿真研究

為了研究有源電力濾波器的控制性能，本文在MATLAB／SIMULINK軟件里搭建系統模型，進行仿真驗證。系統仿真參數如表1所示。

表1 系統仿真參數Tab.1 Simulation parameters of system

檢測算法采用基于瞬時無功功率理論的ip－iq檢測算法，PWM控制策略分別采用滯環，三角載波和基于空間矢量滯環的控制策略。圖5給出ip－iq算法檢測出的畸變電流波形和3種電流控制策略下橋臂電流波形。

圖5 指令電流與橋臂電流波形Fig.5 Current waveforms of order and bridge

圖6 負載電流與補償后系統側電流Fig.6 Current waveforms of load side and compensated system side

從圖5可以看出，3種PWM控制策略，電壓源換流器VSC（voltage source converter）輸出電流均能跟蹤上指令電流的變化，其中，滯環PWM控制策略環寬設定值較大，因此電流毛刺較大，一般取電感電流10%為宜。圖6給出負載電流和3種控制策略補償后系統側電流波形，可以看出，系統側電流經過APF輸出補償，基本都維持正弦，這也驗證了幾種PWM控制策略的正確性。利用FFT模塊對系統電流進行分析得知，3種控制策略的系統電流THD均在3%以下，如圖7所示，5次、7次等特征諧波基本濾除，控制效果良好。

圖7 3種控制策略系統電流頻譜分析Fig.7 Current spectra analysis of three kinds of control strategies

為了研究3種控制方法電流跟蹤誤差，本文捕捉電流誤差信號，并繪制極坐標圖。方法為：將一個周波時間平均分布在360°平面上，繪制6個周波內電流誤差信號隨時間的變化情況。仿真結果分別如圖8（a）～（c）所示。從結果看，三角載波PWM策略基本能將電流誤差控制在5以內，而滯環PWM和滯環SVPWM的電流誤差較大，并且在電流急劇變化的時候，3種控制方式電流誤差均有較大尖峰，每個周波出現4次，與圖8結果吻合。

圖8 3種控制方式電流誤差信號極坐標Fig.8 Polar graphs of current error signal of three kinds of control strategies

研究開關器件動作頻率，本文仿真中采集開關管驅動信號，并作傅里葉分析，基準值選取10 k Hz，等于三角載波控制方法中載波頻率。3種方法傅里葉分析結果如圖9（a）～（c）所示。可以看出，滯環PWM控制方式中，開關器件動作頻率在7 k Hz附近，并且頻帶較寬，可以設計帶阻濾波器將其濾除。載波方式中，很明顯，開關頻率位于10 k Hz，更容易設計帶阻或高通濾波器將其濾除。滯環SVPWM方式開關頻率略高于滯環方式，頻帶更加寬范，并且低頻更為均勻，可以設計高通濾波器將其濾除。

圖9 3種控制方式開關驅動信號頻譜分析Fig.9 Switch driving signal spectrums of three kinds of control strategies

4 實驗研究

在理論分析的基礎上，搭建了并聯有源電力濾波器的實驗平臺。實驗條件為：三相交流電壓20 V，頻率50 Hz，負載為三相不控整流阻感負載，電阻2.5Ω，電感15 m H，APF連接電感2.5 m H，直流側電容4700μF，直流電壓設定在80 V，通過PI調節。諧波檢測算法采用基于瞬時無功功率理論的ip－iq檢測法，電流跟蹤控制采用基于三角載波的控制方法。并聯APF控制系統框圖如圖10所示。三相負載電流、橋臂電流和直流側電壓信號經過傳感器測量電路送入AD芯片進行采樣，試驗中，采樣芯片采用AD7656，由于采用ip－iq算法，因此通過過零檢測電路捕獲A相電壓相位用于諧波檢測算法，同時該過零點作為控制系統一個周波的起點，進行數據處理和輸出補償。

圖11為CCS3.3軟件中采集到的電流波形，其中圖11（a）為負載電流波形，圖11（b）為指令電流信號，圖11（c）為橋臂電流波形。可以看出，三角載波PWM策略使輸出電流跟蹤指令電流變化，控制效果良好。

圖10 并聯APF控制系統框Fig.10 System control diagram of shunt APF

圖11 橋臂輸出電流波形Fig.11 Current waveforms from CCS

圖12為實驗中捕獲的負載電流和補償后系統電流波形，從圖12中看出，補償后系統電流基本維持正弦，電能質量分析儀顯示THD由23.7%降到4.7%，完全符合系統要求。

圖12 實驗所得負載和系統電流波形Fig.12 Current waveforms of load and system from experiment

5 結語

本文首先對電力系統諧波檢測方法進行了簡要的概述，接著詳細敘述了當今主流的幾種電流跟蹤控制PWM技術，并對各自的優缺點給予了說明。在仿真分析的基礎上，詳細比較了滯環控制，三角載波控制和空間矢量滯環控制的特點，給出電流誤差極坐標圖和開關頻率的比較，進而說明針對開關頻率的濾波器的設計思想。最后，搭建仿真平臺，分別采用ip－iq諧波檢測算法和三角載波PWM控制策略進行試驗分析，試驗結果說明了算法的正確性和設計的合理性。

本文給出了現在工程上常用的電流PWM控制策略的分析與比較，還有一些新穎算法正逐步從實驗室走向實際應用，控制算法的革新必將推動有源電力濾波器新的更快的發展。

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