一种新型恒频滞环电流控制策略研究

陈 斌，杨文焕，吴 帅，刘俊峰

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。作为能有效解决一系列电能质量问题的装置，而倍受关注［1］。其中电流控制技术是APF 性能优劣的关键。目前采用的电流控制方法主要有三角波电流控制、滞环电流控制及空间矢量控制等，其中滞环电流跟踪控制方法简单易行、实时性好，可实现对电流的快速跟踪控制，受负载参数变化影响较小，鲁棒性好等优点;其缺点是输出电压中的谐波分量不含特定频率谐波，开关频率不固定有时甚至很高，从而带来开关噪声及损耗加大等问题。有的学者提出通过模糊控制来适时调整滞环宽度，保留了滞环电流控制的优点，也在一定程度上克服了开关频率不固定、损耗大等缺点。但模糊控制对控制系统的优化调整存在一定困难［2－3］。

本文提出在变环宽滞环电流控制方法的基础上加入一个限幅环节和频率反馈PI 控制环节，既保留了其优点，又增大了抗干扰能力、提高了对参考电流的跟踪精度，有效增强了有源电力滤波器的性能。

1 电流滞环控制方案

1.1 APF 主电路拓扑结构

图1 所示为最基本的有源电力滤波器系统结构的原理图。

图1 有源电力滤波器原理框图

传统的电流滞环控制有源电力滤波器原理如图1所示。系统由谐波电流检测电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路构成。电流跟踪控制大多数采用滞环电流控制策略，控制策略的好坏直接影响到APF 的工作性能［4－8］，本文对固定环宽滞环电流控制、变环宽滞环电流控制和改进型恒频变环宽滞环电流控制3 种方案进行分析。

1.2 定环宽滞环电流控制方法

图2 所示为采用定环宽滞环比较器的瞬时值比较方式的原理图。

图2 固定环宽滞环电流控制原理图

在该控制方式中，滞环的宽度H 对补偿电流的跟随性能有较大影响。当H 较大时，开关通断的频率即电力半导体器件的开关频率较低，故对电力半导体器件的要求不高，但跟踪误差较大，补偿电流中高次谐波较大。反之，当H 较小时，虽跟随误差小，但开关频率较高，增大了开关器件的损耗，也减少了设备的使用寿命。在保证补偿精度的前提下，尽可能减小器件开关频率尤为重要。

式(1)中，L 为输出电感;k 为开关系数;e 为电源相电压;i 为逆变器输出补偿电流。

图3 滞环电流控制电流电压波形

以C 相为例，由图3 可看出，补偿电流ic随参考谐波电流上下波形，上升阶段下降阶段交替。当ic处于上升阶段ton即时间段内有

当ic处于下降阶段即toff时间段内有

在ton时间段内ic的幅度以为基准增大了2HB，则有

在toff时间段内ic的幅度以i*c 为基准减小了2HB，则有

ton+toff为ic的一个变化周期T，则ic的频率为

把式(2)和式(3)分别带入式(5)和式(6)中得

将式(7)和式(8)分别带入式(4)中得

式(9)表明滞环宽度取决于输出电感L、电源相电压e、功率器件开关频率fc、参考谐波电流i*c 及直流侧电压Udc。其中e、L、Udc为定值，fc设定为期望频率，则HB随的变化量的变化而变化，由于将fc设定为期望频率，根据上式能够实时计算出滞环的宽度，通过合理的实时调整滞环的宽度来控制功率器件的恒定开关频率。此控制方法的原理如图4 所示。

图4 传统变环宽滞环电流控制原理图

图5 传统变环宽滞环电流控制带宽计算框图

1.3 变环宽滞环电流控制方法的改进

变环宽滞环电流控制方法虽然在一定程度上能改善控制效果，但在仿真实验中发现实际的开关频率并不能较好地跟随期望频率。比如将逆变器开关频率设定为15 kHz 时，实际的开关频率平均值只有13 kHz，不能准确地跟随设定值，并有较大的电流波动产生，补偿性能还有一定的提升空间。因此，在变环宽滞环电流控制的基础上对指令电流计算和滞环宽度计算环节进行改进。如图6 所示，对指令电流加入一个限幅环节，此环节用来限制在开关投切等动作时可能出现的较大电流波动;对滞环宽度计算环节加入一个频率反馈PI 调节环节，整个频率控制环节实现闭环控制，使逆变器的实际开关频率更接近设定频率，从而提高电流控制方法的跟踪精度，提升有源电力滤波器装置治理谐波的性能。

图6 改进变环宽滞环电流控制原理图

图7 改进变环宽滞环电流控制带宽计算框图

2 Matlab 仿真分析

利用Matlab 软件，构建三相独立组合式并联型APF 的仿真模型。仿真模型参数设定为:相电压为220 V 的工频交流电，滤波电感L 为5.3 mH，直流侧电压为400 V，非线性负载为三相桥式不可控整流电路，负载电阻为47 Ω，负载电感为5 mH，采用恒频变环宽滞环电流控制方法时逆变器的开关频率为15 kHz。

对三相独立组合式电压型脉宽调制APF 分别采用定环宽滞环电流控制、变环宽滞环电流控制和改进型恒频变环宽滞环电流控制3 种不同的控制策略进行仿真分析，如图8 所示，图中THD 表示总谐波畸变率。

图8 3 种不同方法补偿结果

分析仿真结果可知:同一系统，相同电路参数的情况下，采用传统固定环宽滞环、变环宽滞环及本文提出的新型恒频变环宽滞环电流控制方法的电流THD 分别为3.35%、1.91%和1.56%，从仿真结果可以看出采用新型恒频变环宽滞环电流控制策略的补偿精度显著提高，补偿效果比传统的固定环宽滞环电流控制更加理想，证明了该改进控制算法的有效性。

3 结束语

文中提出了一种新的恒频变环宽滞环电流控制算法。该算法在传统变环宽滞环电流控制算法的基础上加入了限幅环节和频率PI 反馈控制环节，开关频率控制环节实现了闭环控制，使逆变器的实际开关频率更加接近设定值，从而使补偿性能得到提升。通过仿真证实采用该算法得到的系统总谐波畸变率明显低于传统算法，提高了有源电力滤波器的工作性能。

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