改进的双向互补单周控制在有源滤波器中的应用

王林川，万 晶，姚艳菊，李学良

(东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012)

单周控制[1-6]是一种大信号、非线性控制方法，是在每个周期内迫使可控开关变量平均值与控制参考电压相等或成一定比例，在一个周期内消除稳态和暂态误差，具有结构简单、响应速度快和控制精度高的优点。相比其它控制，单周控制用于有源滤波器APF(Active Power Filter)控制时，不需要检测谐波电流，省去了谐波检测过程和谐波检测电路，使控制电路大大简化，提高了可靠性。

经典的单周控制理论由于控制策略上的不足，存在电流直流分量问题和局部稳定性问题，不少学者提出了各种改进的控制方法，其中包括双向互补控制策略[7-8]。双向互补单周控制虽然解决了直流分量和局部稳定问题，但是电网侧电流波形有较大的谐波含量，这是因为其控制方程中没有考虑死区时间，而主电路功率器件的固有死区时间会严重影响有源滤波器的工作效果。本文基于双向互补单周控制，提出一种改进的控制方法，能有效补偿逆变器开关器件死区所带来的影响，提高控制效果。

1 单相单周控制APF

1.1 单相并联型APF

设Us为交流侧电源电压，Uc为逆变器直流侧电压，UVN为逆变器输出电压，UL为电感两端电压，is为电源电流，ic为滤波器输出电流，Rs为采样电阻，d为开关器件占空比，fs为APF的开关频率，主电路如图1所示。

图1 单相并联APF电路图

1.2 双向互补单周控制APF

为了改善单相单周控制有源滤波器的性能和抑制直流分量，在研究经典单相有源滤波器单周控制策略的基础上，又提出了双向互补控制策略。

双向互补单周控制的控制方程为

其中式(1)为电源正半周时的控制关系，式(2)为电源负半周时的控制关系，Re为总的等效负载电阻，可以由变换器直流侧电容电压作适当分压得到。双向互补控制模型如图2所示。

图2 双向互补控制模型

在双向互补控制模型中，两路控制共用一个积分器，在输出端，用选择器选择其中一路信号作为开关信号输出。双向互补单周控制可使电流波形对称，可从参考信号的角度消除电流直流分量，使单周控制有源滤波器达到全局稳定，有效抵制低频次谐波。但从以前学者的仿真中可以发现，经补偿后的电网侧电流波形有较大的谐波含量。

2 改进的双向互补单周控制

补偿后的电网侧电流有较大谐波含量是由于以往的双向互补控制并没有考虑死区补偿[9-10]，影响其控制效果，为此，本文提出一种改进的双向互补控制。

由于逆变器主电路中的功率开关元件不是理想开关，为防止逆变器上下桥臂发生直通短路故障，必须在其驱动信号中设置一段死区时间。设控制信号的死区时间为td，逆变器输出电感电流iL流入逆变器方向为正，逆变桥示意图如图3所示。

图3 逆变器示意图

设k=td/T，则iL为正时，M1﹑M4的延时导通对电路不产生影响，而M2﹑M3的延时导通使占空比变为d-k。占空比的改变，严重影响到双向互补单周控制的控制精度，死区效应波形如图4所示。

图4 死区效应波形示意图

在单周控制有效工作时，有如下关系:

考虑死区效应补偿，当iL为正时，将开关周期占空比放大k则

将其联立双向互补控制方程，同理推得iL为负时的控制方程。最终得到双向互补单周控制方程为

式(3)是iL为正时的控制方程，式(4)是iL为负时的控制方程。对比可知，只需要在原控制电路的基础上增加一个增益为2k的比例环节和一个测量iL极性的符号模块即可达到控制目的。改进的双向互补单周控制原理如图5所示。

图5 改进的双向互补单周控制原理图

3 电路仿真与分析

为了验证控制方法的有效性，用Matlab/Simulink对模型进行仿真分析，仿真参数如下:电源电压有效值为220 V，频率为50 Hz，逆变器直流侧电容为1 000 μF，电压控制在400 V，交流侧电感6 mH，按如图6所示进行仿真。

图6 仿真图

采用改进的双向互补单周控制方法后，仿真结果如图7所示。由图7可知:

图7 仿真结果图

1)补偿后的电源电流波形接近于标准正弦。

2)当装置未进行死区补偿时，经补偿后的网侧电流有较大的谐波含量，而改进后电网侧电流波形理想，并且电压和电流几乎同相位，大大提高系统的功率因数，表明能够有效消除死区效应的消极影响，提高控制精度。

4 结语

双向互补单周控制可抑制有源滤波器的直流分量，并可以使全局稳定，但有源滤波器的主电路功率器件存在固有死区时间，使得电源电流产生谐波分量。本文提出一种改进的双向互补控制策略，对死区效应进行补偿。死区的存在相当于改变了单周控制的占空比，重新建立了双向互补单周控制方程。仿真实验表明所提出的方法可以使控制精度更高、控制效果更好。

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