并聯(lián)型有源濾波器的死區(qū)效應及其補償策略研究

并聯(lián)型有源濾波器的死區(qū)效應及其補償策略研究
余鳳兵，梁冠安，鐘龍翔
（華南理工大學電力學院，廣東 廣州 510640）

摘要：分析了三相四線制有源電力濾波器中逆變器的死區(qū)效應對其補償性能的影響，研究了電流反饋控制和無死區(qū)控制兩種補償策略用于上述有源電力濾波器死區(qū)補償?shù)目尚行裕⑼ㄟ^仿真對兩種方法的補償效果進行比較。結果表明，兩者均能有效補償死區(qū)效應的影響；但在實現(xiàn)的難易程度和成本方面，無死區(qū)控制策略有一定優(yōu)勢。
關鍵詞：有源電力濾波器；死區(qū)效應；電流反饋型補償；無死區(qū)補償
中圖分類號：             文獻標識碼：
Study on Dead-time Effect of the parallel active power filter and Its Compensation Strategies
YU Feng-bing，LIANG Guan-an，ZHONG Long-xiang
(Electric Power College , South China Univ . of Tech . ,Guangzhou 510640 , China )
Abstract：This paper analyzes the dead-time effects of the inverter in 3-phase 4-wire Active Power Filter(APF) and its influence on the compensation performance of the APF. A study on the feasibility of adopting two kinds of dead-time effect compensation strategies—current feedback and no dead-time to the APF is also presented. The simulation results show that both strategies can compensate the influence effectively. However, the strategy of no dead-time provides certain superiority in the light of the complexity and cost.
Key words：Active Power Filter； dead-time effect；current feedback compensation； no dead-time compensation

1  常用的并聯(lián)型三相四線制APF簡介
近年來，有源電力濾波器（Active Power Filter，簡稱APF）作為一種動態(tài)抑制諧波和補償無功的新型電力電子裝置得到了迅速發(fā)展。其中，并聯(lián)型APF由于具有效率高、成本低、易控制等優(yōu)點而成為研究重點[1]，常用的并聯(lián)型三相四線制APF的拓撲結構如圖1所示[2]。

圖1 并聯(lián)型三相四線制APF的拓撲結構
并聯(lián)型三相四線制APF的基本原理是通過某種算法來控制主電路中的電壓型逆變器，使其向網(wǎng)側注入抵消負載電流中的諧波和無功電流分量，從而使得電源電流只剩下基波有功分量，其波形為與電壓同相的正弦波。然而，電壓型逆變器存在直流電壓母線，為了防止開關器件發(fā)生“直通”現(xiàn)象，在同一橋臂的兩個開關管開通與關斷之間必須設置一定的死區(qū)時間。而死區(qū)的存在使得電壓型逆變器不能精確實現(xiàn)控制算法，從而影響APF的補償性能。
本文詳細分析了并聯(lián)型三相四線制APF死區(qū)效應的的形成及其影響，研究了相應的死區(qū)補償策略，對提高APF的補償性能有一定的參考價值。
2  死區(qū)效應分析
在圖1中，由于三相橋臂相互獨立，故以A相來分析死區(qū)時間的存在對APF補償性能的影響，如圖2所示。圖2中， 是負載電流； 是APF輸出的補償電流； 為補償后的電源電流。

圖2  并聯(lián)型三相四線制APF的A相電路
假定開關管均為理想開關（開通與關斷是瞬時完成的，且通態(tài)壓降為零），則在死區(qū)時間 內，S1和S2都處于關斷狀態(tài)，逆變器輸出補償電流只能由反并聯(lián)二極管D1或D2來續(xù)流。規(guī)定電流由橋臂流出時為正方向。當 ＞0時，在死區(qū)時間內， 只能通過D2來續(xù)流，Ａ點電壓被鉗位在－Uc/２。此時，若S1由導通到關斷、S2由關斷到導通，則理想情況下Ａ點電壓應為－Uc /２，因而此時死區(qū)的存在對APF輸出沒有影響；若S1由關斷到導通、S2由導通到關斷，則理想情況下Ａ點電壓應為Uc／２，而實際電壓為－Uc /２，因而與理想情況相比，在死區(qū)時間內，A點電壓相當于增加了一個幅值為Uc、寬度為 負脈沖。同理可以分析 ＜0時的情況，當S1由導通到關斷、S2由關斷到導通時，A點電壓相當于增加了一個幅值為Uc、寬度為 正脈沖；當S1由關斷到導通、S2由導通到關斷時，死區(qū)對APF輸出沒有影響。死區(qū)效應波形圖如圖3所示。

（a）理想驅動波形       （b）實際驅動波形
（c）理想輸出波形       （d） >0時實際輸出波形
（e） >0時偏差電壓波形（f） <0時實際輸出波形
（g） <0時偏差電壓波形
圖3  死區(qū)效應波形圖
由圖3 可以看出，加入死區(qū)時間后，APF橋臂中點輸出電壓與理想值之間產生一定的偏差，不計電壓的上升與下降時間，此偏差電壓可以看成一系列電壓脈沖，有如下特點：
(1) 每個開關周期內存在一個偏差電壓脈沖；
(2) 此偏差電壓脈沖幅值為 ，寬度為 ；
(3) 每個偏差電壓脈沖的極性與當時輸出補償電流的極性相反。
圖4通過相量圖來說明此偏差電壓脈沖對逆變器輸出的影響。圖中， 、 分別為逆變器在理想情況下的輸出電壓和電流，相為差為 ； 為死區(qū)效應引起的偏差電壓； 為 與 的合成，即為實際輸出電壓； 為 與 的相位差。

圖4  死區(qū)效應相量圖
由圖4 可以清楚地看出，死區(qū)效應不僅影響APF輸出電壓的幅值，也對其相位產生影響。
以上分析是在假定開關管均為理想開關的情況下進行的，而實際中，開關管的通態(tài)壓降和開關時間均是存在的，并且隨著溫度和電流的變化而變化。此外，當輸出補償電流在死區(qū)時間內續(xù)流至零時，由于二極管的正向導通性，電流不再反向增大，在這段時間內，A點電壓為零（不考慮開關特性差異），此時偏差電壓脈沖幅值為Uc /２，此現(xiàn)象稱為零電流鉗位現(xiàn)象[3]。總之，由于死區(qū)時間的加入，使得APF的輸出與理想值之間產生一定的偏差，這必然影響APF的補償性能。由分析可知，偏差量與開關頻率、死區(qū)時間 成正比，頻率越高、 越大，則偏差越大，對補償性能的影響越嚴重。因此，為了提高APF的補償性能，必須對死區(qū)進行補償。
3 死區(qū)效應的補償策略分析
下面研究常用的電流反饋型補償策略和無死區(qū)補償策略用于并聯(lián)型三相四線制APF死區(qū)補償?shù)目尚行浴?
3.1  電流反饋型補償策略
這種方法的基本思想是通過對逆變器輸出電流的檢測并判斷其極性，將檢測結果送入控制器，控制器根據(jù)判斷出的電流極性來調整開關管驅動脈沖的寬度，從而產生一個與偏差電壓脈沖幅值和寬度相同、極性相反的補償電壓脈沖，來抵消偏差電壓的影響[4,5]。圖5給出了兩種補償策略的原理圖。

(a)  電流反饋型補償策略原理圖

(b) 三角載波控制時死區(qū)補償電路原理圖
圖5  兩種補償策略原理圖
圖5（a）為電流反饋型補償策略的原理圖。在具體實現(xiàn)時，死區(qū)電路的工作原理和參數(shù)設計隨著APF所采用的控制策略及其控制器參數(shù)的不同而不同。圖5(b)為傳統(tǒng)的三角載波線性控制時死區(qū)補償電路原理圖，工作過程如下：通過對逆變器輸出補償電流的檢測來判斷其極性，死區(qū)補償電路根據(jù)電流極性產生一個死區(qū)補償電壓與APF控制器中的參考電壓相加后與載波信號進行比較，從而實現(xiàn)驅動脈沖的調節(jié)，進而補償死區(qū)效應的影響。對于其他控制方式如滯環(huán)控制、單周控制等都可以采用類似的方法來實現(xiàn)，本文不再熬述。
3.2  無死區(qū)補償策略
如圖6(a)所示，當 ＞0時， 只能經S1或D2形成回路，此時，即使S2導通，由于其單向導通性， 也不會流經S2，因而可以認為此時S2的導通與關斷對 沒有影響，從而可以將其驅動信號封鎖，使其在 ＞0時處于斷開狀態(tài)，僅控制S1的導通與關斷來調節(jié)逆變器的輸出電流；同理當 ＜0時，將S1的驅動信號封鎖，僅對S2進行控制來調節(jié)輸出電流，這種控制方法稱為無死區(qū)控制[6]。


(a)  無死區(qū)補償策略原理圖

(b) 無死區(qū)控制電路原理圖
圖6  無死區(qū)補償策略
圖6(b)為無死區(qū)控制電路原理圖，當 ＞0時，極性檢測輸出高電平，選通門U1選通，U2封鎖；當 ＜0時，極性檢測輸出低電平，選通門U1封鎖，U2 選通。
3.3  兩者的比較
根據(jù)對兩種補償策略原理的分析可知，二者的共同之處是都需要對輸出電流進行檢測來判斷其極性。圖7 給出了仿真結果。 

（a）負載電流波形

（b）不設死區(qū)時電源電流波形

（c）死區(qū)為5μs時電源電流波形

（d）電流反饋控制時的電源電流波形

（e）無死區(qū)控制時的電源電流波形
圖7  仿真結果
Fig.7  Simulation results
由仿真結果可以看出：①死區(qū)的存在對APF的補償性能有一定的影響；②上述兩種方法均能實現(xiàn)對死區(qū)效應的有效補償。仿真是在Matlab6.5提供的Simulink平臺上進行的，電流極性判斷采用關系運算模塊來實現(xiàn)，從而可以認為不存在檢測誤差。因此，減小檢測誤差、提高檢測精度是改善死區(qū)補償效果的首要條件。
二者的不同之處是它們消除死區(qū)效應影響的機理截然不同，電流反饋型補償策略是在死區(qū)存在的前提下通過改變開關管的開通與關斷時間來實現(xiàn)輸出電流調節(jié)的，它需要將電流檢測信號送入APF的控制器，對控制器產生作用來調整開關管驅動脈沖的寬度，當APF采用不同的控制策略或控制器參數(shù)發(fā)生改變時，死區(qū)補償電路的參數(shù)也將隨之改變。因此在設計時必須將二者結合起來考慮。而無死區(qū)補償策略是通過封鎖同一橋臂中某一只開關管的驅動信號，而對另一只開關管進行控制來實現(xiàn)輸出電流調節(jié)的，因而可以取消死區(qū)時間的設置，降低了控制電路的復雜性和成本；此外，該方法不會對控制器本身產生作用，適用于采用任何一種控制策略的APF，具有通用性。因此，無死區(qū)補償策略更適合用于對并聯(lián)型APF進行死區(qū)補償。
4 結論
本文詳細分析了死區(qū)效應對并聯(lián)型APF補償性能的影響，并對電流反饋型和無死區(qū)控制兩種死區(qū)補償策略用于并聯(lián)型APF死區(qū)補償?shù)目尚行赃M行研究。仿真結果表明，二者均能對并聯(lián)型APF的死區(qū)效應進行有效補償。從成本和可操作性來考慮，與電流反饋型補償策略相比，無死區(qū)補償策略具有一定的優(yōu)勢。
參考文獻
[1]  王兆安, 揚君, 劉進軍. 諧波抑制和無功功率補償[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社 ,1998.
    WANG Zhao-an , YANG Jun , LIU Jin-jun. Harmonic Repression and Reactive Power Compensation. Beijing: China Machine Press,1998.
[2]  姜齊榮, 謝小榮, 陳建業(yè). 電力系統(tǒng)并聯(lián)補償—結構、原理、控制與應用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004.
[4]李  劍, 康  勇, 陳  堅. 單相SPWM逆變器的死區(qū)效應分析和補償策略[J]. 電氣傳動, 2003(1) :12-17.
[4]  明正峰, 鐘彥儒. 硬開關和軟開關三相PWM逆變器中偏差電壓引起的波形畸變及矯正策略比較[J].中國電機工程學報 , 2002 , 22(12) : 85-90.
[5]  張濤, 張強, 李良辰. 逆變器中死區(qū)效應及其補償策略分析[J].信息技術, 2003 , 27(11) : 70-71.
[6]  楊德剛, 趙良炳, 劉潤生. 死區(qū)時間的三個要素及無死區(qū)控制[J].電力電子技術, 1999(3) : 40-43.

作者簡介：
    余鳳兵（1980-），男，江蘇漣水人，碩士研究生，研究方向為電力電子技術應用與電能質量。
    梁冠安（1947-），男，海南萬寧人，副教授，研究方向為電網(wǎng)諧波治理及電力電子EMC技術