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一种实用的三相有源滤波器控制策略的研究
摘要：介绍一种实用的三相有源滤波器（APF）的控制策略，APF的主要电路拓扑采用三相四线制电压型变换器。其控制电路分为两部分：相电流基准的产生和滞环控制脉冲调制。相电流基准与相电压同相位，幅值则根据电源、有源滤波器和负载三者之间的能量平衡来确定。滞环控制脉冲调制使相电流在一个差带内追随基准而变化。当开关纹波被滤掉后，三相电流是功率因数高、失真小、对称的电流。试验结果证明基于这种控制策略的有源滤波器不仅能同时完成无功补偿、谐波抑制和三相电流平衡的三大功能，而且控制简单，可靠性高，补偿效果好。这些优点使它具有广阔的应用前景。
关键词：三相有源滤波器滞环控制脉冲调制无功补偿谐波抑制三相电流平衡
An Improved Control Method for Three－ phase Active Power Filter
Abstract:In this paper a three－ phase active power filter with an improved control method is described in detail. Its topology of main circuit adopts the three－ phase four－ wire voltage－ source converter with split－ capacitors. The control circuit generates current references for mains currents to follow with dynamic hysteresis－ band current controller. The proposed active power filter may provide the following multifunction at the same time:reacive power compensation,harmonic suppression and cureent balance in three－ phase power system. Experimental results prove that the control method has the following features:simple control circuit, high system reliability and good ability of reactive power compensation, harmonic suppression and current balance.
Keywords:Three－ phase active power filter Reactive power compensation Harmonic suppression Current balance Current reference Dynamic hystersis－ band current control
1引言
随着电力电子技术的不断发展，越来越多的电力电子装置被广泛应用于各种领域，然而电力电子器件所固有的非线性使得它对市电的影响如谐波污染及输入端功率因数问题等显得日益突出。以前，我们使用无源滤波网来解决谐波问题。但是，无源滤波网的滤波特性是非选择性的，而且它也具有一些如体积大，容易引起谐振，补偿特性差等缺点〖1〗〖18〗。为解决功率因数校正问题，近些年来，提出了许多静止无功补偿器的拓扑结构〖2〗〖3〗。但是一些静止无功补偿器本身就会产生低次谐波〖3〗，而且其动态响应也无法满足一些特殊负载的要求。
为此，人们提出了一系列有源滤波器（APF）方案来〖3－23〗解决谐波和无功补偿，提高功率因数。例如，Akagi[16]提出了一种使用多电压源变换器和延时PWM方案的有源滤波器。他在随后的论文[17]中详细描述了基于瞬时无功功率理论的控制电路，并讨论了它的瞬态响应特性。Enslin[19]通过检测、计算负载的无功功率来确定补偿电流，并注入电网。Enslin和Hayafune[20]采用微处理器来计算出补偿电流并产生开关信号。JouH.L.[24]通过计算负载电流的基波有功部分来决定补偿电流，并注入电网。以上种种有源滤波器的控制方法都需检测负载电流的波形，然后作相应的处理，产生补偿电流的基准。WuJ.C.和JouH.L.[25]在1996年提出了一种简化的单相有源滤波器的控制方法，这种控制方法检测的是进线电源电流的波形，而且只产生电源电流的基准，不产生补偿电流的基准，所以进线电源电流才是直接控制的量。
本文所述的实用三相有源滤波器的控制策略，是对“简化控制方法”的扩充和改进，并应用于三相有源滤波器，不仅实现方便、可靠，而且采用动态电流带宽控制后的三相有源滤波器除了能实现对无功的补偿和对谐波电流的抑制外，还可平衡输电线上的三相电流。因此，它可提高电能质量以及输电线的输送效率。
2三相有源滤波器的主电路结构及工作原理
图1三相并联有源滤波器的主电路
有源滤波器的主电路采用三相四线制电压型变换器，如图1所示。电压型变换器直流母线上的直流电容C1和C2用作储能元件，C1和C2容值相等。开关S1，S4组成A相的半桥变换器，当桥臂开通和关断时，电感L1上的电压使ifa线性上升或下降，由此控制ifa的大小，相位和波形，从而可以控制A相的输入电流ia。这个变换器可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态。同样，开关S3，S6组成的B相半桥变换器和开关S5，S2组成的C相半桥变换器可以分别控制B相和C相的输入电流，它们也都可以工作在整流和逆变状态。电感L0和电容C0组成一个低通滤波器，其作用为消除变换器产生的开关纹波。
本文所讨论的实用三相有源滤波器的控制策略的基本思想为：为三相输入相电流设定三个与相电压同相，仅含基波，并相互间幅值相等的相电流基准，通过对各相变换器的控制使相电流ia,ib,ic在一个差带内追随基准而变化。因为基准是幅值相等，且与相电压同相位的正弦波，所以当用附加的无源滤波器滤掉开关频带后，相电流iA,iB,iC是功率因数高，失真小，对称的电流。
如果忽略有源滤波器的损耗，变换器不吸收能量也不放出能量，在稳态下，负载消耗的能量等于电源提供的能量，即输入输出功率保持平衡。直流母线上的电容为储能元件，因此变换器可以与电源和负载交换能量，负载所需的无功功率是通过与有源滤波器的交换而获得的。无功仅在有源滤波器与负载之间交换。负载所需的不对称功率由电源经变换器相与相之间能量交换后提供给负载。
如果输入输出功率失去平衡，不平衡部分的能量将由直流电容补给或吸收，由此引起电容电压的变化。如果电源供给的有功小于负载所需，则直流电容电压下降，控制电路检测到电容电压下降后将同时增大各相电流基准的幅值，以增加电源供给的有功。相反，当直流电容电压上升时，将同时减小各相电流基准的幅值，最终使能量的供需达到平衡。直流母线上电容电压的平均值可提供功率是否平衡的信息。我们通过反馈控制来决定基准电流的幅值，实现输入和输出功率之间的平衡。
3控制方框图 图2所示为有源滤波器的控制方框图。在有源滤波器的控制中，需检测的量有：相电流ik,相电压uk，上下直流电容上的电压Uc1和Uc2。检测三相进线电压，产生与相电压同相的单位正弦波Sk。Uref为设定的电容电压期望值，它与（Uc2＋Uc1）的误差e经比例积分后得到的电平R，来调节基准的幅值，使电源和负载之间能量平衡。反馈到电流平衡整定电路，产生微调电平Tk微调基准幅值，使三相电流基准幅值完全相等。这使得三相电压对称时，进线上的三相功率对称。Uc2与Uc1的差经比例积分后得到误差ε，加在电流基准上，使相电流有一个可调节的直流分量，保证工作过程中C1和C2上电压的平均值相等。（关于这一点将在后面详细讨论）。所以电流基准由Sk,R,Tk和ε四个量决定：(1)
基准电流上下浮动δ，形成一个2δ的带宽，我们采用滞环控制脉冲调制的方法控制半桥变换器上下臂的开通和关断，使相电流ik在差带内上升和下降，从面实现有源滤波器的三大功能。
图2控制方框图
假设系统电压恒定，负载恒定，则负载电流i1k(k=a,b,c)稳定。i1k可为不对称、非线性电流，含有无功及谐波。相电流ik为负载电流i1k和补偿电流ifk之和。所以如果能控制补偿电流ifk，便可控制相电流ik。滞环控制脉冲调制器的典型工作模式如图3所示。
开关器件S1和S4组成A相的半桥变换器，通过对相电流基准幅值的调整，使Uc1和Uc2的平均值恒定。为使有源滤波器能正常工作，Uc1和Uc2必须大于输入电压的峰值。
开通S4，关断S1，此时若ifa>0，则ifa流经S4使C2放电，Uc2降低，ifa增大，ia增大；若ifa<0， 则 ifa流 经 下 桥 臂 反 向 二 极 管 给 C2正 向 充 电 ， Uc2升 高 ， ifa增 大 ， ia增 大 。 所 以 下 桥 臂 导 通 时 ifa和 ia增 大 （ dia/dt>0）。 当ia增长到略大于＋δ时，关断S4，开通S1，此时若ifa>0，则ifa流经上桥臂反向二极管给C1正向充电，Uc1升高，ifa减小，ia减小；若ifa<0， 则 ifa流 经 S1使 C1放 电 ， UC1降 低 ， ifa减 小 ， ia减 小 。 所 以 上 桥 臂 导 通 时 ， ifa和 ia减 小 （ dia/dt<0） 。 当 ia下 降 到 略 小 于 － δ 时 ， 再 次 开 通 S4， 关 断 S1， 依 次 类 推 ， 通 过 这 个 半 桥 变 换 器 上 下 桥 臂 的 开 通 和 关 断 ， 可 使 相 电 流 ia在 一 个 差 带 2δ 内 追 随 相 电 流 基 准 变 化 ， 如 图 3所 示 。
以上以A相为例阐述了滞环控制脉冲调制器的工作原理。三相有源滤波器的主电路为三相半桥式。各相的滞环控制脉冲调制是相对独立的。
因为参考电流(k=a,b,c)为三相对称正弦基波，而主电流ik(k=a,b,c)在动态电流带宽控制下追踪参考电流，经无源滤波后，开关频率很容易被滤掉，只剩下所需的三相对称基波，所以输入端的传输线上的电流三相平衡，电源中线上无零序电流流过，非线性负载所需的零序电流全部由有源滤波器来提供。
在变换器上下桥臂依次导通的过程中，无论ifk流入还是流出变换器，都会引起UC1和UC2的波动。表1概括了电流ifk的各种情况所引起的电容C1和C2上的电压变化。
表1电容电压UC1和UC2变化状况
| ifk>0且difk/dt<0 | UC1增大 | UC1增大 |
|---|---|---|
| ifk<0且difk/dt<0 | UC1减小 | UC1减小 |
| ifk<0且difk/dt>0 | UC2增大 | |
| ifk>0且difk/dt>0 | UC2减小 |
图3滞环控制脉冲调制器的典型工作模式
在ifk>0的情况下，UC1升高，UC2降低，但是它们的变化值并不相等。因为difk/dt的值受交流相电压的瞬时值的影响。在ifk<0的 情 况 下 亦 同 。
当ifk含有直流分量时，即使很微小，电荷也会累积在直流电容上，使UC1和UC2失去对称。如果给参考电流增加一个可控制的微小的直流分量ε，就可控制上下电容电压平均值的差值，将它限制在一个可接受的范围内。直流分量ε是由上下电容电压的差值ΔU(ΔU=UC2－UC1)经比例积分而定的，
可见，加入了直流分量ε（－δ<ε <δ ） 后 ， 改 变 了 参 考 电 流 的 上 下 带 的 值 ， 但 并 不 改 变 整 个 带 宽 值 （ 2δ ） ， 以 及 由 带 宽 所 决 定 的 开 关 频 率 。 直 流 分 量 ε 对 电 容 电 压 的 影 响 如 下 ： 直流电容电压的波动也会随参考电流的幅值和带宽的变化而变化。此外，(UC1＋UC2)和(UC2－UC1)不仅会有开关频率的纹波，而且还有同中线电流i0相应用的纹波。
4电感L1和工作频率的选取
上桥臂导通时,ifa减小；下桥臂导通时，ifa增长：
给定uA,确定UC1和UC2的平均值，半桥变换器的最大和最小工作频率取决于电感L1和差带2δ的值。L1和差带2δ都与频率成反比。
在综合考虑无源滤波网的设计和器件的频率特性后，我们可以通过L1和差带2δ值的选取使半桥变换器工作在一定的频带内。
5对电路的仿真
用PSPICE软件对以上三相有源滤波器时进行仿真，
（1）相电压有效值：110VAC
（2）UC1和UC2的平均电压：180VDC
（3）电感L1:3mH
得负载电流i1a以及A相电流ia如图4所示。
由图4可看到，A相电流ia除了开关纹波外就是一个正弦波，它与相电压同相。而高频的开关纹波很容易用外加的无源网络滤掉。
6实验结果
三相输入电压：110VAC
直流母线电压：370VDC
图4仿真得到的A相负载电流和主电路电流
电感L1：2.5mH
补偿功率：2.5kVA
工作频带：3k到7k
LC无源滤波器网：L0=500μH，C0=30μF
非线性负载电路如图5所示，其非线性电流如图6所示，经补偿后的主电路电流如图7所示。
用HP35663A型动态信号分析仪测量得A、B、C相进线电流的THD分别为3.9％、3.8％、3.9％。用功率因数表测入A、B、C相的功率因数分别为0.999,0.997,0.998。三相电流的不对称度为2.1％。
图5实验用的非线性负载
图6非线性负载电流
图7经补偿后的主电路电流
7结论
综上所述，实用三相有源滤波器对市电有无功补偿、谐波抑制及平衡进线电流的作用。实验证明它的补偿效果是好的，而且它可根据市电对无功和谐波的需求量进行自动补偿，补偿的无功量不受系统电压的限制。它的控制简单，实现方便，具有广阔的应用前景。
工商网监
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