介紹一種實(shí)用的三相有源濾波器(APF)的控制策略，APF的主要電路拓?fù)洳捎萌嗨木€制電壓型變換器。其控制電路分為兩部分：相電流基準(zhǔn)的產(chǎn)生和滯環(huán)控制脈沖調(diào)制。相電流基準(zhǔn)與相電壓同相位，幅值則根據(jù)電源、有源濾波器和負(fù)載三者之間的能量平衡來(lái)確定。滯環(huán)控制脈沖調(diào)制使相電流在一個(gè)差帶內(nèi)追隨基準(zhǔn)而變化。當(dāng)開(kāi)關(guān)紋波被濾掉后，三相電流是功率因數(shù)高、失真小、對(duì)稱(chēng)的電流。試驗(yàn)結(jié)果證明基于這種控制策略的有源濾波器不僅能同時(shí)完成無(wú)功補(bǔ)償、諧波抑制和三相電流平衡的三大功能，而且控制簡(jiǎn)單，可靠性高，補(bǔ)償效果好。這些優(yōu)點(diǎn)使它具有廣闊的應(yīng)用前景。
1引言
隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的電力電子裝置被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，然而電力電子器件所固有的非線性使得它對(duì)市電的影響如諧波污染及輸入端功率因數(shù)問(wèn)題等顯得日益突出。以前，我們使用無(wú)源濾波網(wǎng)來(lái)解決諧波問(wèn)題。但是，無(wú)源濾波網(wǎng)的濾波特性是非選擇性的，而且它也具有一些如體積大，容易引起諧振，補(bǔ)償特性差等缺點(diǎn)〖1〗〖18〗。為解決功率因數(shù)校正問(wèn)題，近些年來(lái)，提出了許多靜止無(wú)功補(bǔ)償器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)〖2〗〖3〗。但是一些靜止無(wú)功補(bǔ)償器本身就會(huì)產(chǎn)生低次諧波〖3〗，而且其動(dòng)態(tài)響應(yīng)也無(wú)法滿(mǎn)足一些特殊負(fù)載的要求。
為此，人們提出了一系列有源濾波器(APF)方案來(lái)〖3-23〗解決諧波和無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)。例如，Akagi[16]提出了一種使用多電壓源變換器和延時(shí)PWM方案的有源濾波器。他在隨后的論文[17]中詳細(xì)描述了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的控制電路，并討論了它的瞬態(tài)響應(yīng)特性。 Enslin[19]通過(guò)檢測(cè)、計(jì)算負(fù)載的無(wú)功功率來(lái)確定補(bǔ)償電流，并注入電網(wǎng)。Enslin和Hayafune[20]采用微處理器來(lái)計(jì)算出補(bǔ)償電流并產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。JouH.L.[24]通過(guò)計(jì)算負(fù)載電流的基波有功部分來(lái)決定補(bǔ)償電流，并注入電網(wǎng)。以上種種有源濾波器的控制方法都需檢測(cè)負(fù)載電流的波形，然后作相應(yīng)的處理，產(chǎn)生補(bǔ)償電流的基準(zhǔn)。WuJ.C.和JouH.L.[25]在1996年提出了一種簡(jiǎn)化的單相有源濾波器的控制方法，這種控制方法檢測(cè)的是進(jìn)線電源電流的波形，而且只產(chǎn)生電源電流的基準(zhǔn)，不產(chǎn)生補(bǔ)償電流的基準(zhǔn)，所以進(jìn)線電源電流才是直接控制的量。
本文所述的實(shí)用三相有源濾波器的控制策略，是對(duì)“簡(jiǎn)化控制方法”的擴(kuò)充和改進(jìn)，并應(yīng)用于三相有源濾波器，不僅實(shí)現(xiàn)方便、可靠，而且采用動(dòng)態(tài)電流帶寬控制后的三相有源濾波器除了能實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功的補(bǔ)償和對(duì)諧波電流的抑制外，還可平衡輸電線上的三相電流。因此，它可提高電能質(zhì)量以及輸電線的輸送效率。
2三相有源濾波器的主電路結(jié)構(gòu)及工作原理
圖1三相并聯(lián)有源濾波器的主電路
有源濾波器的主電路采用三相四線制電壓型變換器，如圖1所示。電壓型變換器直流母線上的直流電容C1 和C2用作儲(chǔ)能元件，C1和C2容值相等。開(kāi)關(guān)S1，S4組成A相的半橋變換器，當(dāng)橋臂開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，電感L1上的電壓使ifa線性上升或下降，由此控制 ifa的大小，相位和波形，從而可以控制A相的輸入電流ia。這個(gè)變換器可以工作在整流狀態(tài)，也可以工作在逆變狀態(tài)。同樣，開(kāi)關(guān)S3，S6組成的B相半橋變換器和開(kāi)關(guān)S5，S2組成的C相半橋變換器可以分別控制B相和C相的輸入電流，它們也都可以工作在整流和逆變狀態(tài)。電感L0和電容C0組成一個(gè)低通濾波器，其作用為消除變換器產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)紋波。
本文所討論的實(shí)用三相有源濾波器的控制策略的基本思想為：為三相輸入相電流設(shè)定三個(gè)與相電壓同相，僅含基波，并相互間幅值相等的相電流基準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)各相變換器的控制使相電流ia,ib,ic在一個(gè)差帶內(nèi)追隨基準(zhǔn)而變化。因?yàn)榛鶞?zhǔn)是幅值相等，且與相電壓同相位的正弦波，所以當(dāng)用附加的無(wú)源濾波器濾掉開(kāi)關(guān)頻帶后，相電流iA,iB,iC是功率因數(shù)高，失真小，對(duì)稱(chēng)的電流。
如果忽略有源濾波器的損耗，變換器不吸收能量也不放出能量，在穩(wěn)態(tài)下，負(fù)載消耗的能量等于電源提供的能量，即輸入輸出功率保持平衡。直流母線上的電容為儲(chǔ)能元件，因此變換器可以與電源和負(fù)載交換能量，負(fù)載所需的無(wú)功功率是通過(guò)與有源濾波器的交換而獲得的。無(wú)功僅在有源濾波器與負(fù)載之間交換。負(fù)載所需的不對(duì)稱(chēng)功率由電源經(jīng)變換器相與相之間能量交換后提供給負(fù)載。
如果輸入輸出功率失去平衡，不平衡部分的能量將由直流電容補(bǔ)給或吸收，由此引起電容電壓的變化。如果電源供給的有功小于負(fù)載所需，則直流電容電壓下降，控制電路檢測(cè)到電容電壓下降后將同時(shí)增大各相電流基準(zhǔn)的幅值，以增加電源供給的有功。相反，當(dāng)直流電容電壓上升時(shí)，將同時(shí)減小各相電流基準(zhǔn)的幅值，最終使能量的供需達(dá)到平衡。直流母線上電容電壓的平均值可提供功率是否平衡的信息。我們通過(guò)反饋控制來(lái)決定基準(zhǔn)電流的幅值，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出功率之間的平衡。
3控制方框圖
圖2所示為有源濾波器的控制方框圖。在有源濾波器的控制中，需檢測(cè)的量有：相電流ik,相電壓uk，上下直流電容上的電壓Uc1和Uc2。檢測(cè)三相進(jìn)線電壓，產(chǎn)生與相電壓同相的單位正弦波Sk。Uref為設(shè)定的電容電壓期望值，它與(Uc2+Uc1)的誤差e經(jīng)比例積分后得到的電平R，來(lái)調(diào)節(jié)基準(zhǔn)的幅值，使電源和負(fù)載之間能量平衡。反饋到電流平衡整定電路，產(chǎn)生微調(diào)電平Tk微調(diào)基準(zhǔn)幅值，使三相電流基準(zhǔn)幅值完全相等。這使得三相電壓對(duì)稱(chēng)時(shí)，進(jìn)線上的三相功率對(duì)稱(chēng)。Uc2與Uc1的差經(jīng)比例積分后得到誤差ε，加在電流基準(zhǔn)上，使相電流有一個(gè)可調(diào)節(jié)的直流分量，保證工作過(guò)程中C1和C2上電壓的平均值相等。(關(guān)于這一點(diǎn)將在后面詳細(xì)討論)。所以電流基準(zhǔn)由Sk,R,Tk和 ε四個(gè)量決定：
(1)
基準(zhǔn)電流上下浮動(dòng)δ，形成一個(gè)2δ的帶寬，我們采用滯環(huán)控制脈沖調(diào)制的方法控制半橋變換器上下臂的開(kāi)通和關(guān)斷，使相電流ik在差帶內(nèi)上升和下降，從面實(shí)現(xiàn)有源濾波器的三大功能。
圖2控制方框圖
假設(shè)系統(tǒng)電壓恒定，負(fù)載恒定，則負(fù)載電流i1k(k=a,b,c)穩(wěn)定。i1k可為不對(duì)稱(chēng)、非線性電流，含有無(wú)功及諧波。相電流ik為負(fù)載電流 i1k和補(bǔ)償電流ifk之和。所以如果能控制補(bǔ)償電流ifk，便可控制相電流ik。滯環(huán)控制脈沖調(diào)制器的典型工作模式如圖3所示。
開(kāi)關(guān)器件S1和S4組成A相的半橋變換器，通過(guò)對(duì)相電流基準(zhǔn)幅值的調(diào)整，使Uc1和Uc2的平均值恒定。為使有源濾波器能正常工作，Uc1和Uc2必須大于輸入電壓的峰值。
開(kāi)通S4，關(guān)斷S1，此時(shí)若ifa>0，則ifa流經(jīng)S4使C2放電，Uc2降低，ifa增大，ia增大;若ifa<0， 則 ifa流 經(jīng) 下 橋 臂 反 向 二 極 管 給 C2正 向 充 電 ， Uc2升 高 ， ifa增 大 ， ia增 大 。 所 以 下 橋 臂 導(dǎo) 通 時(shí) ifa和 ia增 大 ( dia/dt>0)。
當(dāng)ia增長(zhǎng)到略大于+δ時(shí)，關(guān)斷S4，開(kāi)通S1，此時(shí)若ifa>0，則ifa流經(jīng)上橋臂反向二極管給C1正向充電，Uc1升高，ifa減小，ia 減小;若ifa<0， 則 ifa流 經(jīng) S1使 C1放 電 ， UC1降 低 ， ifa減 小 ， ia減 小 。 所 以 上 橋 臂 導(dǎo) 通 時(shí) ， ifa和 ia減 小 ( dia/dt<0) 。 當(dāng) ia下 降 到 略 小 于 - δ 時(shí) ， 再 次 開(kāi) 通 S4， 關(guān) 斷 S1， 依 次 類(lèi) 推 ， 通 過(guò) 這 個(gè) 半 橋 變 換 器 上 下 橋 臂 的 開(kāi) 通 和 關(guān) 斷 ， 可 使 相 電 流 ia在 一 個(gè) 差 帶 2δ 內(nèi) 追 隨 相 電 流 基 準(zhǔn) 變 化 ， 如 圖 3所 示 。以上以A相為例闡述了滯環(huán)控制脈沖調(diào)制器的工作原理。三相有源濾波器的主電路為三相半橋式。各相的滯環(huán)控制脈沖調(diào)制是相對(duì)獨(dú)立的。
因?yàn)閰⒖茧娏?k=a,b,c)為三相對(duì)稱(chēng)正弦基波，而主電流ik(k=a,b,c)在動(dòng)態(tài)電流帶寬控制下追蹤參考電流，經(jīng)無(wú)源濾波后，開(kāi)關(guān)頻率很容易被濾掉，只剩下所需的三相對(duì)稱(chēng)基波，所以輸入端的傳輸線上的電流三相平衡，電源中線上無(wú)零序電流流過(guò)，非線性負(fù)載所需的零序電流全部由有源濾波器來(lái)提供。在變換器上下橋臂依次導(dǎo)通的過(guò)程中，無(wú)論ifk流入還是流出變換器，都會(huì)引起UC1和UC2的波動(dòng)。表1概括了電流ifk的各種情況所引起的電容C1和C2上的電壓變化。
表1電容電壓UC1和UC2變化狀況
表1電容電壓UC1和UC2變化狀況
ifk>0且difk/dt<0UC1增大UC1增大
ifk<0且difk/dt<0UC1減小UC1減小
ifk<0且difk/dt>0UC2增大
ifk>0且difk/dt>0UC2減小
圖3滯環(huán)控制脈沖調(diào)制器的典型工作模式
在ifk>0的情況下，UC1升高，UC2降低，但是它們的變化值并不相等。因?yàn)閐ifk/dt的值受交流相電壓的瞬時(shí)值的影響。在ifk<0的 情 況 下 亦 同 。
當(dāng)ifk含有直流分量時(shí)，即使很微小，電荷也會(huì)累積在直流電容上，使UC1和UC2失去對(duì)稱(chēng)。
