有源電力濾波器控制策略綜述

單周控制法作為一種新型非線性控制技術(shù)，它可應(yīng)用于PWM控制、軟開關(guān)等。這種方法的基本思想是控制開關(guān)占空比，在每個(gè)周期內(nèi)強(qiáng)迫開關(guān)變量的平均值與控制參考量相等或成比例。單周控制在控制電路中不需要誤差綜合，它能在一個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，前一周期的誤差不會(huì)帶到下一周期，因此，克服了傳統(tǒng)的PWM控制方法的不足，適用于各種脈寬調(diào)制軟開關(guān)等開關(guān)逆變器，具有反應(yīng)快、開關(guān)頻率恒定、魯棒性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)、控制電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，此外，單周控制還能優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)、減小畸變和抑制電源干擾，是一種很有前途的控制方法。在DC/DC變換器中已經(jīng)得到充分的研究。作為一種調(diào)制方式，該技術(shù)最近在向三相變流器方面，如電流型PFC、電壓型APF探索。IRC具有電路簡單可靠、控制效果好的優(yōu)點(diǎn)、不僅具有重要的理論意義，而且也具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

2.4 變結(jié)構(gòu)控制[3][5]

目前，混合型電力濾波器（HAPF）是一種效率較高，應(yīng)用極為廣泛的APF。其中，無源濾波器對(duì)負(fù)載的諧波電流進(jìn)行濾波，并提供一定的基波無功補(bǔ)償；而有源濾波器則起改善無源濾波器特性的作用。因而，以非常小容量的有源濾波器，就可以彌補(bǔ)無源濾波器特性的一些固有缺陷。這樣既可以改善無源濾波器的濾波效果，防止其與電網(wǎng)之間發(fā)生諧振，又避免了并聯(lián)有源濾波器的諧波電流注入并聯(lián)的無源濾波器形成諧波短路的現(xiàn)象，提高了有源濾波器的有限容量的利用率。而HAPF的控制策略，大多以上世紀(jì)80年代初H．Akagi等人提出的瞬時(shí)無功理論為基礎(chǔ)。通過對(duì)電力系統(tǒng)中無功和諧波電流的檢測計(jì)算來實(shí)現(xiàn)無功功率和諧波電流的補(bǔ)償。不僅計(jì)算、控制復(fù)雜，而且由于未對(duì)期望的電源電流實(shí)現(xiàn)閉環(huán)跟蹤控制，測量和計(jì)算誤差得不到補(bǔ)償，影響了其補(bǔ)償性能的提高。變結(jié)構(gòu)控制(Variable Structure Control，簡稱VSC)理論，對(duì)系統(tǒng)的變化和外部干擾不敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性，文獻(xiàn)[4]應(yīng)用VSC理論，在建立空間矢量數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，推出一種混合型電力濾波器的變結(jié)構(gòu)控制方法，避免了較復(fù)雜的諧波電流計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源電流和電容電壓的閉環(huán)控制，具有良好的控制性能，是一種簡單有效且易于實(shí)現(xiàn)的方法。

2.5 無差拍控制[5][6]

無差拍控制（Dead Beat Control，簡稱DBC）是一種全數(shù)字化的控制技術(shù)，其基本思想是將輸出參數(shù)波形等間隔地劃分為若干個(gè)取樣周期。根據(jù)電路在每一取樣周期的起始值，預(yù)測在關(guān)于取樣周期中心對(duì)稱的方波脈沖作用下某電路變量在取樣周期末尾時(shí)的值。適當(dāng)控制方波脈沖的極性與寬度，就能使輸出波形與要求的參數(shù)波形重合。不斷調(diào)整每一取樣周期內(nèi)方波脈沖的極性與寬度，就能獲得諧波失真小的輸出。其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快，易于計(jì)算機(jī)執(zhí)行。無差拍控制逆變器也存在如下諸多缺點(diǎn)：

1）對(duì)系統(tǒng)參數(shù)依賴性較大；

2）魯俸性較差；

3）瞬態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量大；

4）計(jì)算的實(shí)時(shí)性強(qiáng)，對(duì)硬件要求高。

為克服DBC的以上種種不足，國內(nèi)外學(xué)者做了一些大膽嘗試。文獻(xiàn)[7]中提出了一種帶負(fù)載電流觀測器的DBC，假定負(fù)載電流變化率在采樣間隔保持不變，用兩個(gè)二階觀測器分別觀測狀態(tài)變量（通常為輸出電壓和濾波電感電流）和負(fù)載電流，提高了對(duì)不同負(fù)載性質(zhì)的適應(yīng)性。隨著數(shù)字信號(hào)處理單片機(jī)(DSP)應(yīng)用的不斷普及，這是一種很有前途的控制方法。在APF中，跟蹤參考信號(hào)的控制方法是決定有源濾波器補(bǔ)償質(zhì)量的關(guān)鍵。因?yàn)椋挥星蟮醚a(bǔ)償信號(hào)參考值后，才能通過反饋環(huán)節(jié)和控制變流器的開關(guān)元件使變流器產(chǎn)生與參考信號(hào)相等的實(shí)際信號(hào)。文獻(xiàn)[8]表明：用基于DBC的APF變流器的輸出可以很好地跟蹤參考諧波電壓信號(hào)，使負(fù)載端的電壓波形接近于正弦波，這種APF即使在開關(guān)頻率比較低的情況下也有著良好的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)。

2.6 基于單位功率因數(shù)(UPF)的控制策略

該控制策略的目的是使非線性負(fù)載和濾波器的并聯(lián)等效為一電阻性負(fù)載。假設(shè)電網(wǎng)電壓無畸變傅里葉展開為

u_s=U_sinωt（1）

如加上濾波器后負(fù)載側(cè)的輸入阻抗呈電阻性則補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流可表示為

i_s=ku_s=kUsinωt（2）

式中：k為復(fù)合非線性負(fù)載和濾波器的組合電導(dǎo)。

電網(wǎng)電流是與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波且沒有諧波成分，功率因數(shù)為1（單位功率因數(shù)）。為驗(yàn)證本文所提的基于單位功率因數(shù)控制策略，利用Matlab構(gòu)造圖3所示的實(shí)驗(yàn)電路，相應(yīng)參數(shù)見表1，結(jié)果見圖4，圖5及圖6。

表1 三相整流電路的參數(shù)

圖3 三相整流電路原理圖

圖4 補(bǔ)償前的相電流（50A/格）與相電壓（50V/格）

圖5 APF提供的補(bǔ)償電流（2A/格）

圖6 補(bǔ)償后的電源電流波形(5A/格)