一种新型恒频滞环电流控制策略研究

摘要 并联型有源电力滤波器的变环宽滞环电流控制方法是根据电流幅值的变化适时调整滞环宽度，可有效保证滤波器的补偿性能，控制开关器件的开关频率。在传统的变环宽滞环电流控制算法的基础上，加入了电流限幅和频率PI反馈控制环节，限制了较大电流的波动，提高了频率的控制精度，以及有源电力滤波器的电流补偿性能。Matlah仿真结果表明，采用新型恒频滞环电流控制算法进行电流跟踪补偿时，系统的电流总畸变率小于采用传统变环宽滞环电流控制算法时的总谐波畸变率。

关键词 有源电力滤波器;谐波;变环宽;滞环电流控制

有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。作为能有效解决一系列电能质量问题的装置，而倍受关注。其中电流控制技术是 APF性能优劣的关键。目前采用的电流控制方法主要有三角波电流控制、滞环电流控制及空间矢量控制等，其中滞环电流跟踪控制方法简单易行、实时性好，可实现对电流的快速跟踪控制，受负载参数变化影响较小，鲁棒性好等优点;其缺点是输出电压中的谐波分量不含特定频率谐波，开关频率不固定有时甚至很高，从而带来开关噪声及损耗加大等问题。有的学者提出通过模糊控制来适时调整滞环宽度，保留了滞环电流控制的优点，也在一定程度上克服了开关频率不固定、损耗大等缺点。但模糊控制对控制系统的优化调整存在一定困难。

本文提出在变环宽滞环电流控制方法的基础上加入一个限幅环节和频率反馈PI控制环节，既保留了其优点，又增大了抗干扰能力、提高了对参考电流的跟踪精度，有效增强了有源电力滤波器的性能。

1 电流滞环控制方案

1.1 APF主电路拓扑结构

图1所示为最基本的有源电力滤波器系统结构的原理图。

传统的电流滞环控制有源电力滤波器原理如图1所示。系统由谐波电流检测电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路构成。电流跟踪控制大多数采用滞环电流控制策略，控制策略的好坏直接影响到APF的工作性能，本文对固定环宽滞环电流控制、变环宽滞环电流控制和改进型恒频变环宽滞环电流控制3种方案进行分析。

1.2 定环宽滞环电流控制方法

图2所示为采用定环宽滞环比较器的瞬时值比较方式的原理图。

在该方式中，将补偿电流的指令信号与实际的补偿电流信号ic进行比较，两者差值作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流ic的变化。用H表示滞环比较器的环宽，当-H≤≤H时，滞环比较器的输出保持不变;而当||>H时，滞环比较器的输出发生翻转，假设后面的驱动电路和主电路无延时，则补偿电流ic的变化方向随之改变。

在该控制方式中，滞环的宽度H对补偿电流的跟随性能有较大影响。当H较大时，开关通断的频率即电力半导体器件的开关频率较低，故对电力半导体器件的要求不高，但跟踪误差较大，补偿电流中高次谐波较大。反之，当H较小时，虽跟随误差小，但开关频率较高，增大了开关器件的损耗，也减少了设备的使用寿命。在保证补偿精度的前提下，尽可能减小器件开关频率尤为重要。

图3所示为滞环电流控制电流电压波形图，其中，为参考谐波电流;ic为实际补偿电流;分别为实际补偿谐波电流的上升和下降阶段;ton、toff分别为对应的上升阶段时间和下降时间，Udc为直流侧电容两端的电压，HR为滞环的环宽。由于APF三相相互独立，任何一相不受其他两相干扰。任一相电源电压瞬时值方程为

式(1)中，L为输出电感;k为开关系数;e为电源相电压;i为逆变器输出补偿电流。

以C相为例，由图3可看出，补偿电流ic随参考谐波电上下波形，上升阶段下降阶段交替。当ic处于上升阶段ton即时间段内

式(9)表明滞环宽度取决于输出电感L、电源相电压e、功率器件开关频率fc、参考谐波电流及直流侧电压Udc。其中e、L、Udc为定值，fc设定为期望频率，则HB随的变化量的变化而变化，由于将fc设定为期望频率，根据上式能够实时计算出滞环的宽度，通过合理的实时调整滞环的宽度来控制功率器件的恒定开关频率。此控制方法的原理如图4所示。

1.3 变环宽滞环电流控制方法的改进

变环宽滞环电流控制方法虽然在一定程度上能改善控制效果，但在仿真实验中发现实际的开关频率并不能较好地跟随期望频率。比如将逆变器开关频率设定为15 kHz时，实际的开关频率平均值只有13 kHz，不能准确地跟随设定值，并有较大的电流波动产生，补偿性能还有一定的提升空间。因此，在变环宽滞环电流控制的基础上对指令电流计算和滞环宽度计算环节进行改进。如图6所示，对指令电流加入一个限幅环节，此环节用来限制在开关投切等动作时可能出现的较大电流波动;对滞环宽度计算环节加入一个频率反馈 PI调节环节，整个频率控制环节实现闭环控制，使逆变器的实际开关频率更接近设定频率，从而提高电流控制方法的跟踪精度，提升有源电力滤波器装置治理谐波的性能。

2 Matlab仿真分析

利用Matlab软件，构建三相独立组合式并联型APF的仿真模型。仿真模型参数设定为：相电压为220 V的工频交流电，滤波电感L为5.3 mH，直流侧电压为400 V，非线性负载为三相桥式不可控整流电路，负载电阻为47 Ω，负载电感为5 mH，采用恒频变环宽滞环电流控制方法时逆变器的开关频率为15 kHz。

对三相独立组合式电压型脉宽调制APF分别采用定环宽滞环电流控制、变环宽滞环电流控制和改进型恒频变环宽滞环电流控制3种不同的控制策略进行仿真分析，如图8所示，图中THD表示总谐波畸变率。

分析仿真结果可知：同一系统，相同电路参数的情况下，采用传统固定环宽滞环、变环宽滞环及本文提出的新型恒频变环宽滞环电流控制方法的电流THD分别为 3.35%、1.91%和1.56%，从仿真结果可以看出采用新型恒频变环宽滞环电流控制策略的补偿精度显著提高，补偿效果比传统的固定环宽滞环电流控制更加理想，证明了该改进控制算法的有效性。

3 结束语

文中提出了一种新的恒频变环宽滞环电流控制算法。该算法在传统变环宽滞环电流控制算法的基础上加入了限幅环节和频率PI反馈控制环节，开关频率控制环节实现了闭环控制，使逆变器的实际开关频率更加接近设定值，从而使补偿性能得到提升。通过仿真证实采用该算法得到的系统总谐波畸变率明显低于传统算法，提高了有源电力滤波器的工作性能。