一種新型滯環(huán)電流的空間矢量控制方法

陳華敏,任立民,申一歌

1.南陽理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院,河南 南陽 473000

2.南陽理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,河南 南陽 473000

3.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電自動(dòng)化學(xué)院,河南 南陽 473000

由于諧波補(bǔ)償效應(yīng)，在高頻狀態(tài)下工作的主電路具有較高的功率損耗及故障率，有源電力濾波器（Active power filter，APF）在抑制諧波方面的作用較小，同時(shí)在主電路運(yùn)行出問題的情況下，APF還可能增加整個(gè)系統(tǒng)的諧波污染。因此，改善APF 性能，特別是改進(jìn)控制方法，對(duì)提升電路系統(tǒng)性能有重要的促進(jìn)作用。

APF 的控制方法包括三角波比較控制、單周期控制、滯環(huán)電流控制及矢量控制[1,2]。在三角波比較控制中，開關(guān)頻率是固定的，并且對(duì)于補(bǔ)償電流不能實(shí)現(xiàn)靜差跟蹤，但是，如果負(fù)載電流的變化率大，則控制誤差大，因?yàn)殚_關(guān)頻率是固定的[3]。單周期控制具有檢測(cè)流程簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但采樣率低及抗干擾能力差[4]。滯環(huán)電流控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)[5]，矢量控制具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等特點(diǎn)[6]。

本研究基于APF 的滯環(huán)電流控制方法，結(jié)合矢量控制方法的特點(diǎn)，提出了一種多維滯環(huán)電流的空間矢量控制方法[7]，通過仿真模擬及試驗(yàn)研究驗(yàn)證該方法的有效性。

1 新型滯環(huán)電流控制策略

APF 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1 所示。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在每個(gè)橋臂中使用兩個(gè)二極管來進(jìn)行器件轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)三層結(jié)構(gòu)[8]。這種拓?fù)涞捻敳侩娐方Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其控制技術(shù)相對(duì)成熟。從三層APF 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看出，每個(gè)橋臂采用四個(gè)IGBT 的串聯(lián)電壓部分形式，可以降低每個(gè)IGBT 的電壓要求[9]。但三層APF 使用更多的盒式二極管，這些二極管更廣泛地應(yīng)用于頻率變化較低的場(chǎng)合[10]。

圖2 為并聯(lián)有源濾波器的結(jié)構(gòu)，圖中的負(fù)載代表典型的諧波源，APF 的主電路使用三相電壓型PWM 變換器，在DC 側(cè)連接大電容，保證電源電壓的穩(wěn)定性，圖中isa、isb、isc為不同電網(wǎng)側(cè)的電流、iLa、iLb、iLc為負(fù)載電流，ica、icb、icc為APF 產(chǎn)生的補(bǔ)償電流。

圖1 三層APF 的并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Parallel topology of three-layer APF

圖2 并聯(lián)有源濾波器結(jié)構(gòu)Fig.2 Shunt active filter structure

根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流定律，系統(tǒng)側(cè)電流與負(fù)載電流和補(bǔ)償電流的關(guān)系：

式中，iLf、iLh分別為基波和諧波分量，由負(fù)載電流決定，并聯(lián)有源濾波器的補(bǔ)償電流必須補(bǔ)償負(fù)載電流的諧波，即產(chǎn)生一個(gè)大小相等、方向相反的電流-iLh，補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)的電流為：

從上式可以推斷，在加入并聯(lián)有源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償后，電網(wǎng)側(cè)的電流僅為正弦負(fù)載電流的基波分量，從而消除了電網(wǎng)側(cè)的諧波污染。

為了將APF 應(yīng)用于高壓場(chǎng)景，自20 世紀(jì)80 年代以來，專家們開發(fā)了兩種或更多種APF，不僅克服了兩級(jí)APF 的固有缺點(diǎn)，并且還具有了許多優(yōu)點(diǎn)。扁平APF 被廣泛使用，是因?yàn)樗m用于高壓應(yīng)用。Conergy 公司提出了T 型三電平APF 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于三電平APF 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。該電路拓?fù)洳粌H可以減少所用箱式二極管的數(shù)量，還可以達(dá)到減少各功率器件損耗的目的，適用于高開關(guān)頻率的場(chǎng)合。同時(shí)，T 型三電平APF 在減少箱式二極管的使用次數(shù)時(shí)也增加了開關(guān)管的耐壓。

圖3 APF 的三級(jí)并聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Three-level parallel topology of APF

圖4 電容飛跨型三電平并聯(lián)型APF 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Topology of capacitive flying-span three-level parallel APF

飛跨電容器三級(jí)APF和二極管中點(diǎn)盒式三級(jí)APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的主要區(qū)別在于使用飛跨電容器Ca-Cc取代箱位二極管VD1-VD6，電路如圖4 所示。快速電容器型三電平APF 使用更多電容器，通過控制電容器的電壓平衡電容器的電壓，但由于控制復(fù)雜而不常使用。

α、β軸為有源濾波器輸出電壓的分量，有七個(gè)非零矢量。對(duì)α、β軸采用4 階和3 階滯后比較器，圖5 顯示了APF 輸出電壓空間矢量和分段方法，圖6 為系統(tǒng)原理圖。

圖5 APF 輸出電壓空間矢量Fig.5 APF output voltage space vector

圖6 多階滯環(huán)空間矢量控制圖Fig.6 Multiorder hysteresis loop space vector control diagram

2 仿真分析及試驗(yàn)研究

將APF 仿真模型建立在Matlab 環(huán)境中，模擬矢量處理方法并與多階滯后空間矢量控制方法的結(jié)果比較，電源線電壓380 V，電網(wǎng)頻率50 Hz，直流穩(wěn)定在900 V，系統(tǒng)阻抗可以忽略不計(jì)，具有電阻負(fù)載的三相不可逆整流橋?yàn)橹C波源，其中電阻為8 Ω，電感為4 mH；電容為0.0023 F。

從圖7 的波形的形式可以看出，使用傳統(tǒng)滯環(huán)控制的總諧波失真為7.25%，而采用多階滯環(huán)空間矢量控制時(shí)，電源上的電流波形能夠清晰的顯示出來，總諧波失真降至2.09%，諧波失真率明顯降低，驗(yàn)證了本文給出方法的有效性及準(zhǔn)確性。

圖7 仿真結(jié)果波形圖Fig.7 Waveform diagram of simulation results

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的新滯環(huán)空間矢量控制方法的準(zhǔn)確性，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)平臺(tái)上構(gòu)建了一個(gè)APF 系統(tǒng)，并使用TI 的TMS320F28335 和三菱的智能功率模塊PM25RSK120。側(cè)電壓為350 V，帶電阻負(fù)載的三相不可控整流橋?yàn)橹C波源，其余參數(shù)與仿真相同。圖8 為基于多維滯環(huán)空間矢量控制方法的APF 波形。

圖8 實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental waveform

進(jìn)一步對(duì)三種滯環(huán)控制方法進(jìn)行對(duì)比研究（圖9），由此可見，本研究給出的新型滯環(huán)控制算法下的A 相輸入電流波形光滑且毛刺最少，電流過零畸變的問題得到了極大改善。

圖9 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果波形Fig.9 Waveform diagram of contrast test results

圖10 A 相開關(guān)損耗的比較Fig.10 Comparison of A phase switching losses

圖10 為傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的電流與新控制系統(tǒng)的電流比較，曲線S1 表示根據(jù)傳統(tǒng)控制方法的A 相開關(guān)損耗，曲線S4 表示根據(jù)新的滯環(huán)控制方法的A 相開關(guān)損耗，曲線S2 和S3 為三階滯環(huán)控制方法以及矢量控制方法的A 相開關(guān)損耗，通過比較發(fā)現(xiàn)，本文提出的新型滯環(huán)控制方法在開關(guān)頻率和誤差電流方面的效果最好。

3 結(jié)論

本研究提出了一種新型滯環(huán)電流的矢量控制方法，通過三相平均電流、波形以及開關(guān)損耗等參數(shù)的仿真模擬及試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，本研究給出的新型滯后電流的矢量控制方法能夠有效地調(diào)節(jié)每相的滯后，最有效的降低有源濾波器的開關(guān)損耗。