有效降低APF開關(guān)損耗的滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)方法

曾　江，陳浩平，劉　艷

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640）

有效降低APF開關(guān)損耗的滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)方法

曾江，陳浩平，劉艷

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640）

摘要：提出一個新評價函數(shù)和根據(jù)該評價函數(shù)調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度的方法，可有效降低有源濾波器的開關(guān)損耗。該方法分析了三相平均電流、各相電流和滯環(huán)寬度三者間的關(guān)系，并根據(jù)此關(guān)系調(diào)整各相滯環(huán)寬度，使開關(guān)損耗較大的相開關(guān)頻率降低，開關(guān)損耗較小的相開關(guān)頻率提高，從而保持總的控制精度同時降低開關(guān)損耗。最后利用PSCAD／EMTDC進行仿真，結(jié)果表明本方法在不明顯增加總的開關(guān)頻率的情況下，可以有效降低有源濾波器的開關(guān)損耗，且不影響控制精度。

關(guān)鍵詞：有源濾波器；滯環(huán)電流控制；開關(guān)損耗；滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)

1　前言

近年來，隨著科技的發(fā)展，電力電子技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，但電力電子裝置帶來的諧波問題也日益嚴(yán)重。有源濾波器在濾除諧波方面有良好的效果，所以在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的地位，但它的造價和運行損耗都偏高，所以當(dāng)前的研究重點是在不降低有源濾波器綜合性能的情況下，降低其開關(guān)損耗。

有源濾波器的電流控制方法主要有三角波比較控制、空間矢量控制、無差拍控制、單周控制、滯環(huán)電流控制等幾種。三角波比較控制有固定的開關(guān)頻率，可以對補償電流實現(xiàn)無靜差跟蹤，但在負(fù)荷電流具有較大變化率時，控制誤差因開關(guān)頻率固定而增大［1、2］。空間矢量控制需要微處理器對三相電壓和電流量進行復(fù)雜的變換運算，由復(fù)雜運算造成的延時勢必增大補償電流跟蹤誤差［3、4］。無差拍控制穩(wěn)態(tài)性能好［5－7］、計算量大，文獻［7］加入了重復(fù)預(yù)測性諧波電流觀測器，在負(fù)載電流突變時仍需一個基波周期的調(diào)整時間。單周控制無需檢測負(fù)載電流和電源電壓，能在一個開關(guān)周期內(nèi)消除穩(wěn)態(tài)誤差和瞬態(tài)誤差，具有采樣量小、反應(yīng)速度快的特點，但經(jīng)典單周控制對實際電路參數(shù)要求高，抗干擾能力也差，控制電路容易受噪聲干擾影響［8－11］。滯環(huán)電流控制具有控制簡單、響應(yīng)速度快，跟蹤性能好的特點［12、13］。近年來，以最優(yōu)電壓矢量為基礎(chǔ)實現(xiàn)滯環(huán)電流控制的方法取得了很大進展［14－20］，但這種方法要使用復(fù)雜控制器，應(yīng)用時存在一定困難。所以目前在有源濾波器中應(yīng)用的滯環(huán)控制方法通常還是傳統(tǒng)的滯環(huán)控制方法。但傳統(tǒng)滯環(huán)電流控制采用固定的滯環(huán)寬度會導(dǎo)致不定的開關(guān)頻率，滯環(huán)寬度過小時，較大的負(fù)載電流變化率會導(dǎo)致較高的開關(guān)頻率，從而增大了有源濾波器的開關(guān)損耗，滯環(huán)寬度過大又會導(dǎo)致過大的跟蹤誤差。為此，已有學(xué)者提出各種調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度的方法。文獻［21］提出一種基于優(yōu)化電壓矢量的定頻滯環(huán)電流控制方法，該方法可實現(xiàn)兩個相間電流的解耦，因而可應(yīng)用單相定頻方法進行電流滯環(huán)控制。文獻［22］提出了一種調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度并使開關(guān)頻率恒定的方法，文獻［23］提出了一種基于模糊閾值的動態(tài)調(diào)整環(huán)寬的方法，避免了因固定環(huán)寬帶來的過大的開關(guān)頻率波動。調(diào)節(jié)方法較多，但都沒有綜合考慮有源濾波器補償性能和開關(guān)損耗的關(guān)系。

因此，為了在保證有源濾波器補償性能的條件下有效降低開關(guān)損耗，本文對傳統(tǒng)的滯環(huán)電流控制方法進行了改進，提出根據(jù)新評價函數(shù)對滯環(huán)寬度進行調(diào)節(jié)的方法，實現(xiàn)降低開關(guān)損耗的目的。

本文首先在理論上對有源濾波器開關(guān)損耗進行分析，接著簡述總體滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)和各相滯環(huán)寬度自調(diào)節(jié)方法，并提出一個新的評價函數(shù)，根據(jù)該評價函數(shù)提出了一種考慮三相平均電流大小和各相電流大小的滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)方法。這種新方法在保持同樣的控制精度的情況下，可以有效降低有源電力濾波器的開關(guān)損耗。

2　有源濾波器開關(guān)損耗分析

有源濾波器的損耗主要是開關(guān)器件在工作、開通、關(guān)斷過程中產(chǎn)生的損耗，文獻［24］和［25］中提到，開關(guān)損耗包括斷態(tài)損耗（漏電流引起的）P1、通態(tài)損耗P2、開通損耗Pon、關(guān)斷損耗Poff四個部分。其中斷態(tài)電流很小，其損耗基本可以忽略，而通態(tài)穩(wěn)定時，損耗基本維持在恒定水平不變，因此重點研究和考慮的是開通損耗和關(guān)斷損耗的變化影響。

開關(guān)器件動作過程（開通、關(guān)斷）中，器件的電壓電流近似呈線性規(guī)律變化，同時考慮到Uon（通態(tài)壓降）和漏電流很小可以忽略不計，則器件每次開通和關(guān)斷過程中器件的損耗可以分別近似用下式計算：

式中：ton表示開關(guān)開通的時間；toff表示開關(guān)關(guān)斷的時間；U、I分別為開通或關(guān)斷時間內(nèi)的平均電壓和平均電流。開關(guān)損耗功率與開關(guān)頻率相關(guān)，假設(shè)三相平衡，在單位時間T內(nèi)，每相開關(guān)動作N次，則每相開通時的開關(guān)損耗功率為各次動作損耗的疊加，可用下式計算：

式中，U（k）是逆變器直流側(cè)電壓，逆變器穩(wěn)定運行時，直流側(cè)電壓波動不大，因此上式可簡化成：

同理可推導(dǎo)出關(guān)斷時的開關(guān)損耗功率，不再重復(fù)。

3　滯環(huán)寬度調(diào)整下的誤差電流和開關(guān)損耗分析

3.1滯環(huán)寬度、開關(guān)頻率和控制精度的相互關(guān)系

滯環(huán)控制中滯環(huán)寬度和開關(guān)頻率具有相關(guān)性，而滯環(huán)寬度和誤差電流也有相關(guān)性。根據(jù)文獻［13］分析可知開關(guān)頻率f和滯環(huán)寬度h成反比，而滯環(huán)寬度h和誤差電流Δi的大小成正比，即1／f∝h∝Δi，三者間基本上是線性關(guān)系，通過提高開關(guān)頻率可以減小誤差電流，提高控制精度，但提高開關(guān)頻率也增加了開關(guān)損耗，所以為了在降低開關(guān)損耗同時保持控制精度，本文提出一個新的評價函數(shù)z＝P‖Δi‖做為衡量控制效果的參數(shù)，P為開關(guān)損耗功率，‖Δi‖為誤差電流大小，當(dāng)z達到最小值時，開關(guān)損耗與誤差電流就同時達到最小，也就實現(xiàn)了最優(yōu)控制。

對于有源電力濾波器，開關(guān)頻率的調(diào)節(jié)可以分為三相總體調(diào)節(jié)和各相自調(diào)節(jié)兩種三相總體調(diào)節(jié)是根據(jù)三相評價電流大小進行調(diào)節(jié)；各相自調(diào)節(jié)則根據(jù)短時間內(nèi)每相電流的大小，增加小電流相的開關(guān)次數(shù)，減少大電流相的開關(guān)次數(shù)。下南簡述這兩種優(yōu)化開關(guān)頻率的控制方法。

3.2兩種滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)方法簡述

設(shè)一個周期內(nèi)三相電流絕對值之和較大時的電流值為I1，三相電流絕對值之和較小時的電流值為I2，分別對應(yīng)的滯環(huán)寬度為h1和h2，而開關(guān)頻率和滯環(huán)寬度成反比，則有f1＝k／h1和f2＝k／h2，所以開關(guān)損耗可以化簡為：

為了保持控制精度基本不變，就要求滯環(huán)寬度控制下的誤差電流沒有大幅度的增加。在三相電流絕對值之和較大的時間段內(nèi)，得到誤差電流個數(shù)設(shè)為M，定義這段時間的平均誤差電流為：

同理可得到三相電流絕對值之和較小的時間段內(nèi)平均誤差電流為‖Δi2‖，由于誤差電流與滯環(huán)寬度成正比，則有‖Δi1‖＝mh1，‖Δi2‖＝mh2，m為兩者之間的比例系數(shù)，總的誤差電流為：

結(jié)合上式可以知道，誤差電流和開關(guān)損耗都與滯環(huán)寬度有關(guān)，在保持誤差電流基本不變的情況下，根據(jù)不同的電流大小，調(diào)節(jié)相應(yīng)的滯環(huán)寬度，可以減少開關(guān)損耗。

以上即為三相總體調(diào)節(jié)的原理，對于各相滯環(huán)寬度自調(diào)節(jié)，本文假設(shè)各相的滯環(huán)寬度僅與該相的開關(guān)頻率相關(guān)，對其它兩相沒有影響。每相滯環(huán)寬度只根據(jù)本相電流在小時間段的電流大小進行本相的滯環(huán)調(diào)節(jié)，而不是三相的聯(lián)合，從而降低開關(guān)損耗。

3.3基于新評價函數(shù)z的開關(guān)損耗分析

由于三相電流波形基本相同，所以某時刻三相電流值相當(dāng)于一相中不同時刻的電流值，即三相電流iA、iB、iC可以看作是三個不同時刻的電流值i1、i2、i3，以下用這三個時刻的電流代替三相電流，相對應(yīng)的滯環(huán)寬度分別為h1、h2、h3，三相電流的絕對平均值為i0，與其對應(yīng)的滯環(huán)寬度設(shè)為h0。假定各相滯環(huán)寬度僅與各相的開關(guān)頻率相關(guān)，對其它兩相沒有影響，則有f1＝k／h1，其中k為比例系數(shù)。而每一相的誤差電流與該相的滯環(huán)寬度成正比，m為兩者之間的比例系數(shù)，則三相誤差電流的表達式為：

三相的開關(guān)損耗之和為：

z＝P‖Δi‖做為衡量控制效果的評價函數(shù)，公式為：

當(dāng)z為最小值時，也就是功率損耗與誤差電流乘積達到最小值，以此來評價達到最優(yōu)控制。分別對函數(shù)的自變量h1、h2、h3求偏導(dǎo)數(shù)，可以得到：

對式（11）－式（13）求二次導(dǎo)數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，其二次導(dǎo)數(shù)恒大于零，所以式（11）－式（13）的極值即為最小值，令＝0，化簡可得：

以上是在三個不同時刻下，滯環(huán)寬度的調(diào)節(jié)規(guī)律。由此可以看到，當(dāng)前的各相滯環(huán)寬度主要與該時該相電流的絕對值和三相電流的絕對平均值有關(guān)，按照以上規(guī)律調(diào)節(jié)各時刻的滯環(huán)寬度則可以達到最優(yōu)的控制效果。

3.4新滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)方法

圖1所示是新滯環(huán)調(diào)節(jié)方法的方框圖，既考慮三相平均電流的大小，同時又考慮各相自身電流的大小而對每一相的滯環(huán)進行調(diào)節(jié)，通過各相電流絕對值與三相電流絕對平均值進行比較，求出對應(yīng)于該相的滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度，把得到的各相滯環(huán)寬度與總體的調(diào)節(jié)參數(shù)相乘，實現(xiàn)新的滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)。

圖1　新滯環(huán)調(diào)節(jié)方法框圖

4　仿真實驗

本文利用仿真程序PSCAD／EMTDC，對圖2所示的有源濾波器系統(tǒng)進行了仿真計算，其中APF用以補償直流電動機運行中產(chǎn)生的諧波電流。圖2中的各參數(shù)為：US線電壓為380V，LL為0.003H，L 為0.002H，UC為800V。

圖2　有源濾波器系統(tǒng)圖

本文對傳統(tǒng)滯環(huán)控制方法、總體滯環(huán)調(diào)節(jié)控制方法、各相滯環(huán)自調(diào)節(jié)控制方法以及新滯環(huán)調(diào)節(jié)方法進行了仿真計算，仿真計算結(jié)果如表1所示。

表1　4種控制方法的性能比較

圖3　系統(tǒng)電流、負(fù)載電流與補償電流

圖4　誤差電流波形

圖5　4種方法下A相開關(guān)損耗的比較

圖3所示為傳統(tǒng)方式與新方法下的系統(tǒng)電流對比，圖4所示為傳統(tǒng)方法與新方法下誤差電流波形對比，由兩組對比圖可知，新方法下為了達到總體損耗的最優(yōu)，誤差電流的波動稍大于傳統(tǒng)方法。圖5所示為4種不同方法下A相開關(guān)損耗的變化圖，其中曲線S1代表傳統(tǒng)控制方法下A相開關(guān)損耗，曲線S4代表新滯環(huán)調(diào)節(jié)方法下的A相開關(guān)損耗，曲線S2和S3分別表示各相自調(diào)節(jié)滯環(huán)控制時的A相開關(guān)損耗和三相總體調(diào)節(jié)滯環(huán)下的A相開關(guān)損耗?？梢?，在開關(guān)頻率、誤差電流都基本不變的情況下，本文提出的新滯環(huán)調(diào)節(jié)方法最為有效，其開關(guān)損耗僅為傳統(tǒng)滯環(huán)控制的78.53%。

5　結(jié)束語

本文提出了一種新評價函數(shù)和根據(jù)此評價函數(shù)調(diào)節(jié)的滯環(huán)電流控制方法。這種方法根據(jù)三相平均電流、各相電流和滯環(huán)寬度的關(guān)系，有效地進行各相滯環(huán)調(diào)節(jié)，降低了有源濾波器的開關(guān)損耗。用PSCAD／EMTDC進行了4種控制方法的仿真，結(jié)果顯示，本文提出的滯環(huán)控制方法在降低有源電力濾波器開關(guān)損耗方面效果最好。

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中圖分類號：TN713＋.8

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）06—0015—06

作者簡介：

曾江（1972－），男，江西萍鄉(xiāng)人、副教授，博士，主要研究方向為配電網(wǎng)自動化、電能質(zhì)量分析與控制。

陳浩平（1990－），男，廣東河源人，碩士研究生，主要研究方向為電能質(zhì)量與節(jié)能、電力系統(tǒng)。

黃海穎（1990－），男，廣東茂名人，碩士研究生，主要研究方向為電能質(zhì)量與節(jié)能、電力系統(tǒng)。

收稿日期：2015－09－22

Method of reducing APF switching loss with adjustment of hysteresis width

ZENG Jiang，CHEN Hao－ping，LIU Yan

（Electric Power College，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Abstract：Based on a new evaluation function，the novel method of adjusting hysteresis width is presented，which can effectively reduce the switching loss of the active filter.The method adjusts hysteresis band width according to the relationship between the current sizes of three－phase and each phase，and adjusts each phase by comparing the output reference current to reduce the switching times which switching losses is larger，while increasing the switching frequency which switching losses is smaller，so as to maintain overall control precision.Computer simulation is also given.The simulation results show that this new method can effectively reduce the switching loss under the same control accuracy and total switching frequency.

Key words：APF；hysteresis current control；switching loss；hysteresis band width adjustment