有效降低APF開關損耗的滯環寬度調節方法

曾　江，陳浩平，劉　艷

（華南理工大學電力學院，廣東廣州510640）

有效降低APF開關損耗的滯環寬度調節方法

曾江，陳浩平，劉艷

（華南理工大學電力學院，廣東廣州510640）

摘要：提出一個新評價函數和根據該評價函數調節滯環寬度的方法，可有效降低有源濾波器的開關損耗。該方法分析了三相平均電流、各相電流和滯環寬度三者間的關系，并根據此關系調整各相滯環寬度，使開關損耗較大的相開關頻率降低，開關損耗較小的相開關頻率提高，從而保持總的控制精度同時降低開關損耗。最后利用PSCAD／EMTDC進行仿真，結果表明本方法在不明顯增加總的開關頻率的情況下，可以有效降低有源濾波器的開關損耗，且不影響控制精度。

關鍵詞：有源濾波器；滯環電流控制；開關損耗；滯環寬度調節

1　前言

近年來，隨著科技的發展，電力電子技術得到了廣泛應用，但電力電子裝置帶來的諧波問題也日益嚴重。有源濾波器在濾除諧波方面有良好的效果，所以在工業生產中有著重要的地位，但它的造價和運行損耗都偏高，所以當前的研究重點是在不降低有源濾波器綜合性能的情況下，降低其開關損耗。

有源濾波器的電流控制方法主要有三角波比較控制、空間矢量控制、無差拍控制、單周控制、滯環電流控制等幾種。三角波比較控制有固定的開關頻率，可以對補償電流實現無靜差跟蹤，但在負荷電流具有較大變化率時，控制誤差因開關頻率固定而增大［1、2］。空間矢量控制需要微處理器對三相電壓和電流量進行復雜的變換運算，由復雜運算造成的延時勢必增大補償電流跟蹤誤差［3、4］。無差拍控制穩態性能好［5－7］、計算量大，文獻［7］加入了重復預測性諧波電流觀測器，在負載電流突變時仍需一個基波周期的調整時間。單周控制無需檢測負載電流和電源電壓，能在一個開關周期內消除穩態誤差和瞬態誤差，具有采樣量小、反應速度快的特點，但經典單周控制對實際電路參數要求高，抗干擾能力也差，控制電路容易受噪聲干擾影響［8－11］。滯環電流控制具有控制簡單、響應速度快，跟蹤性能好的特點［12、13］。近年來，以最優電壓矢量為基礎實現滯環電流控制的方法取得了很大進展［14－20］，但這種方法要使用復雜控制器，應用時存在一定困難。所以目前在有源濾波器中應用的滯環控制方法通常還是傳統的滯環控制方法。但傳統滯環電流控制采用固定的滯環寬度會導致不定的開關頻率，滯環寬度過小時，較大的負載電流變化率會導致較高的開關頻率，從而增大了有源濾波器的開關損耗，滯環寬度過大又會導致過大的跟蹤誤差。為此，已有學者提出各種調節滯環寬度的方法。文獻［21］提出一種基于優化電壓矢量的定頻滯環電流控制方法，該方法可實現兩個相間電流的解耦，因而可應用單相定頻方法進行電流滯環控制。文獻［22］提出了一種調節滯環寬度并使開關頻率恒定的方法，文獻［23］提出了一種基于模糊閾值的動態調整環寬的方法，避免了因固定環寬帶來的過大的開關頻率波動。調節方法較多，但都沒有綜合考慮有源濾波器補償性能和開關損耗的關系。

因此，為了在保證有源濾波器補償性能的條件下有效降低開關損耗，本文對傳統的滯環電流控制方法進行了改進，提出根據新評價函數對滯環寬度進行調節的方法，實現降低開關損耗的目的。

本文首先在理論上對有源濾波器開關損耗進行分析，接著簡述總體滯環寬度調節和各相滯環寬度自調節方法，并提出一個新的評價函數，根據該評價函數提出了一種考慮三相平均電流大小和各相電流大小的滯環寬度調節方法。這種新方法在保持同樣的控制精度的情況下，可以有效降低有源電力濾波器的開關損耗。

2　有源濾波器開關損耗分析

有源濾波器的損耗主要是開關器件在工作、開通、關斷過程中產生的損耗，文獻［24］和［25］中提到，開關損耗包括斷態損耗（漏電流引起的）P1、通態損耗P2、開通損耗Pon、關斷損耗Poff四個部分。其中斷態電流很小，其損耗基本可以忽略，而通態穩定時，損耗基本維持在恒定水平不變，因此重點研究和考慮的是開通損耗和關斷損耗的變化影響。

開關器件動作過程（開通、關斷）中，器件的電壓電流近似呈線性規律變化，同時考慮到Uon（通態壓降）和漏電流很小可以忽略不計，則器件每次開通和關斷過程中器件的損耗可以分別近似用下式計算：

式中：ton表示開關開通的時間；toff表示開關關斷的時間；U、I分別為開通或關斷時間內的平均電壓和平均電流。開關損耗功率與開關頻率相關，假設三相平衡，在單位時間T內，每相開關動作N次，則每相開通時的開關損耗功率為各次動作損耗的疊加，可用下式計算：

式中，U（k）是逆變器直流側電壓，逆變器穩定運行時，直流側電壓波動不大，因此上式可簡化成：

同理可推導出關斷時的開關損耗功率，不再重復。

3　滯環寬度調整下的誤差電流和開關損耗分析

3.1滯環寬度、開關頻率和控制精度的相互關系

滯環控制中滯環寬度和開關頻率具有相關性，而滯環寬度和誤差電流也有相關性。根據文獻［13］分析可知開關頻率f和滯環寬度h成反比，而滯環寬度h和誤差電流Δi的大小成正比，即1／f∝h∝Δi，三者間基本上是線性關系，通過提高開關頻率可以減小誤差電流，提高控制精度，但提高開關頻率也增加了開關損耗，所以為了在降低開關損耗同時保持控制精度，本文提出一個新的評價函數z＝P‖Δi‖做為衡量控制效果的參數，P為開關損耗功率，‖Δi‖為誤差電流大小，當z達到最小值時，開關損耗與誤差電流就同時達到最小，也就實現了最優控制。

對于有源電力濾波器，開關頻率的調節可以分為三相總體調節和各相自調節兩種三相總體調節是根據三相評價電流大小進行調節；各相自調節則根據短時間內每相電流的大小，增加小電流相的開關次數，減少大電流相的開關次數。下南簡述這兩種優化開關頻率的控制方法。

3.2兩種滯環寬度調節方法簡述

設一個周期內三相電流絕對值之和較大時的電流值為I1，三相電流絕對值之和較小時的電流值為I2，分別對應的滯環寬度為h1和h2，而開關頻率和滯環寬度成反比，則有f1＝k／h1和f2＝k／h2，所以開關損耗可以化簡為：

為了保持控制精度基本不變，就要求滯環寬度控制下的誤差電流沒有大幅度的增加。在三相電流絕對值之和較大的時間段內，得到誤差電流個數設為M，定義這段時間的平均誤差電流為：

同理可得到三相電流絕對值之和較小的時間段內平均誤差電流為‖Δi2‖，由于誤差電流與滯環寬度成正比，則有‖Δi1‖＝mh1，‖Δi2‖＝mh2，m為兩者之間的比例系數，總的誤差電流為：

結合上式可以知道，誤差電流和開關損耗都與滯環寬度有關，在保持誤差電流基本不變的情況下，根據不同的電流大小，調節相應的滯環寬度，可以減少開關損耗。

以上即為三相總體調節的原理，對于各相滯環寬度自調節，本文假設各相的滯環寬度僅與該相的開關頻率相關，對其它兩相沒有影響。每相滯環寬度只根據本相電流在小時間段的電流大小進行本相的滯環調節，而不是三相的聯合，從而降低開關損耗。

3.3基于新評價函數z的開關損耗分析

由于三相電流波形基本相同，所以某時刻三相電流值相當于一相中不同時刻的電流值，即三相電流iA、iB、iC可以看作是三個不同時刻的電流值i1、i2、i3，以下用這三個時刻的電流代替三相電流，相對應的滯環寬度分別為h1、h2、h3，三相電流的絕對平均值為i0，與其對應的滯環寬度設為h0。假定各相滯環寬度僅與各相的開關頻率相關，對其它兩相沒有影響，則有f1＝k／h1，其中k為比例系數。而每一相的誤差電流與該相的滯環寬度成正比，m為兩者之間的比例系數，則三相誤差電流的表達式為：

三相的開關損耗之和為：

z＝P‖Δi‖做為衡量控制效果的評價函數，公式為：

當z為最小值時，也就是功率損耗與誤差電流乘積達到最小值，以此來評價達到最優控制。分別對函數的自變量h1、h2、h3求偏導數，可以得到：

對式（11）－式（13）求二次導數可以發現，其二次導數恒大于零，所以式（11）－式（13）的極值即為最小值，令＝0，化簡可得：

以上是在三個不同時刻下，滯環寬度的調節規律。由此可以看到，當前的各相滯環寬度主要與該時該相電流的絕對值和三相電流的絕對平均值有關，按照以上規律調節各時刻的滯環寬度則可以達到最優的控制效果。

3.4新滯環寬度調節方法

圖1所示是新滯環調節方法的方框圖，既考慮三相平均電流的大小，同時又考慮各相自身電流的大小而對每一相的滯環進行調節，通過各相電流絕對值與三相電流絕對平均值進行比較，求出對應于該相的滯環比較器的滯環寬度，把得到的各相滯環寬度與總體的調節參數相乘，實現新的滯環寬度調節。

圖1　新滯環調節方法框圖

4　仿真實驗

本文利用仿真程序PSCAD／EMTDC，對圖2所示的有源濾波器系統進行了仿真計算，其中APF用以補償直流電動機運行中產生的諧波電流。圖2中的各參數為：US線電壓為380V，LL為0.003H，L 為0.002H，UC為800V。

圖2　有源濾波器系統圖

本文對傳統滯環控制方法、總體滯環調節控制方法、各相滯環自調節控制方法以及新滯環調節方法進行了仿真計算，仿真計算結果如表1所示。

表1　4種控制方法的性能比較

圖3　系統電流、負載電流與補償電流

圖4　誤差電流波形

圖5　4種方法下A相開關損耗的比較

圖3所示為傳統方式與新方法下的系統電流對比，圖4所示為傳統方法與新方法下誤差電流波形對比，由兩組對比圖可知，新方法下為了達到總體損耗的最優，誤差電流的波動稍大于傳統方法。圖5所示為4種不同方法下A相開關損耗的變化圖，其中曲線S1代表傳統控制方法下A相開關損耗，曲線S4代表新滯環調節方法下的A相開關損耗，曲線S2和S3分別表示各相自調節滯環控制時的A相開關損耗和三相總體調節滯環下的A相開關損耗。可見，在開關頻率、誤差電流都基本不變的情況下，本文提出的新滯環調節方法最為有效，其開關損耗僅為傳統滯環控制的78.53%。

5　結束語

本文提出了一種新評價函數和根據此評價函數調節的滯環電流控制方法。這種方法根據三相平均電流、各相電流和滯環寬度的關系，有效地進行各相滯環調節，降低了有源濾波器的開關損耗。用PSCAD／EMTDC進行了4種控制方法的仿真，結果顯示，本文提出的滯環控制方法在降低有源電力濾波器開關損耗方面效果最好。

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中圖分類號：TN713＋.8

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）06—0015—06

作者簡介：

曾江（1972－），男，江西萍鄉人、副教授，博士，主要研究方向為配電網自動化、電能質量分析與控制。

陳浩平（1990－），男，廣東河源人，碩士研究生，主要研究方向為電能質量與節能、電力系統。

黃海穎（1990－），男，廣東茂名人，碩士研究生，主要研究方向為電能質量與節能、電力系統。

收稿日期：2015－09－22

Method of reducing APF switching loss with adjustment of hysteresis width

ZENG Jiang，CHEN Hao－ping，LIU Yan

（Electric Power College，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Abstract：Based on a new evaluation function，the novel method of adjusting hysteresis width is presented，which can effectively reduce the switching loss of the active filter.The method adjusts hysteresis band width according to the relationship between the current sizes of three－phase and each phase，and adjusts each phase by comparing the output reference current to reduce the switching times which switching losses is larger，while increasing the switching frequency which switching losses is smaller，so as to maintain overall control precision.Computer simulation is also given.The simulation results show that this new method can effectively reduce the switching loss under the same control accuracy and total switching frequency.

Key words：APF；hysteresis current control；switching loss；hysteresis band width adjustment