三电平并联型APF死区效应分析及其对策研究

武 敏，孟润泉，赵 刚



三电平并联型APF死区效应分析及其对策研究

武 敏1，孟润泉1，赵 刚2

(1.太原理工大学电气与动力工程学院，山西 太原030024；2.中煤建筑安装工程集团有限公司，河北 邯郸 056000)

为了解决三电平并联型有源电力滤波器(APF)死区效应问题，通过分析APF死区效应的产生机理和影响因素，同时结合在实际运行中电流流向突变时存在的一些问题，提出一种基于电流区间判断的PWM信号修正方案。该方案在其他因素不变的前提下可以降低对检测和采样环节精度的依赖，避免电流过零处抖动而导致极性误判进而引发桥臂直通，从而减小死区效应对APF谐波补偿性能的不良影响。利用Matlab对所提方案进行了仿真研究。研究结果表明，该方法不仅消除了绝大多数死区，同时排除了冗余的开关切换，谐波补偿效果优于常规控制。

三电平并联型APF；死区效应；电流区间判断；PWM信号修正；谐波补偿性能

0 引言

随着电网谐波问题的日益严重，有源电力滤波技术也越来越受到人们重视。由于构成APF功率电路的开关器件存在开关延时，若按理想情况控制极易造成直通现象，损坏开关器件，因此，通常会使触发信号延迟一段时间再导通，这段时间即为死区时间d[1]。死区时间的存在会使PWM控制脉冲变窄甚至消失(上升和下降沿重叠)，进而导致APF输出的电压、电流波形发生畸变[2]，对APF的谐波补偿性能造成严重的影响。为了减小死区效应对APF谐波补偿性能的影响，目前的研究更倾向于利用电流反馈来进行死区效应补偿，即通过直接检测谐波电流来对开关器件的通断时间进行控制[3-7]。然而，当前的死区效应补偿策略是在分析电流流向突变发生在同一电平的前提下提出的，因此，电流极性突变发生在同一电平上时，该策略可以对死区效应进行完全补偿。但事实上，当电流流向突变与该相电压状态变化同时、同向进行时，仍存在直通的可能，可见，该方法对死区效应的补偿是不完备的。同时，电流极性的判断对传感器及信号调理电路的精度和抗扰性要求很高，且存在多余的开关状态切换。另外，现有死区效应补偿方法对APF所选的控制策略依赖性较大、延时较长且不具有通用性[8]。为此，通过对主电路开关器件的工作状态与APF产生的谐波补偿电流流向间的关系进行分析，提出一种基于电流区间判断的直接PWM信号修正法，该方法可有效弥补现有死区效应补偿方法的不足。

1 死区效应的产生及影响分析

二极管中点箝位式(NPC)三相三线制三电平并联型APF的拓扑结构[9-11]及其与电网的连接方式如图1所示，与电网的三相对应，APF功率变换器包含a、b、c三个桥臂，每个桥臂都由四个串联的开关器件VT1~VT4(下标=a,b,c分别代表a、b、c三相，下文同)、四个续流二极管VD1~ VD4以及两个中点箝位二极管VD01~ VD02构成；APF功率变换器直流侧的两个等值电容C1、C2串联承担并均衡直流侧电压dc，C1、C2的连接点与各桥臂中点箝位二极管VD01、VD02相连形成参考电位点0，这样，直流母线正端P点电位为dc/2、负端N点电位为-dc/2；交流侧各相输出的谐波补偿电流ca、cb及cc分别经电感La、Lb及Lc接入电网。

图1 三电平并联型APF拓扑结构图

以a相为例对死区效应的产生机理进行分析，规定ca流出APF的方向为正。由APF交流输出端电压状态与电流流向间的关系可得：VTa1、VTa2、VTa3，VTa2、VTa3、VTa4或VTa1、VTa2、VTa3、VTa4的同时导通都将导致直通现象的发生，为此，理想情况下，只要让VTa1跟VTa3互补导通，VTa2跟VTa4互补导通即可避免此类现象的发生。然而，由于实际开关器件的通断需要一定的时间，尤其是关断时间较导通时间长，因此，通常在同一桥臂互补的PWM信号中加入死区，以确保完成工作的开关器件可靠关断后与之互补的开关器件再导通。

由三电平并联型APF的控制原理可知，a点的输出电压a有dc/2、0、-dc/2三种取值[12-14]，分别称为a点输出电压的P、0、N三种状态。在一个开关周期内不存在P、N间的直接过渡，只有P、0 或0、N间的相互转换[15-16]。为研究三电平并联型APF输出电流流向与死区效应的关系，对理想情况下一个载波周期c内死区效应的产生机理进行分析，图2为ca>0时的死区效应波形示意图。其中，a*为a相的理想输出电压；S1~S4为VTa1~VTa4的PWM控制信号；a为a相实际输出电压；Δa为a相实际输出电压跟理想输出电压间的误差电压或畸变电压。为了避免直通现象的发生，a*在 0、P间转换时，互补通断的VTa1和VTa3不能同时动作：a*由 0转向P的瞬间，VTa1延时d导通，a由P转向0的瞬间，VTa3延时d导通，这一延时致使实际输出电压由0向P转换时较理想电压延时d，从而产生误差电压Δa；a在0、N间转换时，互补通断的VTa2和VTa4不能同时动作：a*由 N转向0的瞬间，VTa2延时d导通，a*由0转向N的瞬间，VTa4延时d导通，这一延时致使实际输出电压由N向0转换时较理想电压延时d，从而产生误差电压Δa。同理，ca<0时死区效应的产生机理如图3所示。

由图2、图3可知，ca>0时，d时间内a被箝位到0或N，实际输出电压a较理论输出电压a减少了时长为d的dc/2，且出现在电平转换的上升沿之后；ca<0时，d时间内a被箝位到0或P，实际输出电压a较理论输出电压a增加了时长为d的dc/2，且出现在电平转换的下降沿之后，具体情况如表1所示。

图2 ica>0时的死区效应波形示意图

图3 ica<0时的死区效应波形示意图

表1 误差电压Δua汇总表

由上述分析可知，在一个载波周期内，死区效应产生的畸变电压Δa跟死区时间d及补偿电流ca的流向存在如下关系：

式中，sign(ca)为符号函数。

虽然，一个载波周期c相对较短，期间产生的误差电压对APF输出电压的畸变不会造成大的影响，但在实际运行中，载波周期c越短载波频率c越高，畸变电压Δa对APF输出电压的影响便不可忽略，考虑c的影响后，Δa可表示为

可见，死区时间d越大，载波周期c越小，畸变电压Δa越大，APF的输出电压畸变越明显。此外，与两电平相比，三电平并联型APF的开关器件数量明显增多，正常工作时通态压降、开关损耗及干扰的存在同样会使APF的输出电压及电流发生畸变，从而对APF的谐波补偿性能造成影响，因此必须采取一定的对策来尽可能减少或消除死区、降低各开关器件的导通时间及开关次数，进而对并联型APF的谐波补偿性能起到一定的优化作用。

2 死区效应削弱对策

仍以a相为例，理想情况下，同一桥臂上四个开关器件的控制向量如表2所示，其中“1”代表“导通”，“0”代表“关断”。当a为状态P时只有VTa1、VTa2导通；a为状态0时只有VTa2、VTa3导通；a为状态N时只有VTa3、VTa4导通。

表2 理想情况下a桥臂各开关器件的控制向量

理想情况下控制向量间的转换流程如图4虚线箭头所示，但在实际控制中为了防止直通现象的发生通常在状态转换的过程中引入一段死区时间d，在这段时间内只有VTa2或VTa3导通，即a在P↔0转换的d内只有VTa2导通，对应的过渡控制向量为[0100]；a在0↔N转换的d内只有VTa3导通，对应的过渡控制向量为[0010]，具体转换流程如图4实线箭头所示。

图4 理想和常规控制中控制向量间的转换流程

由上述分析可知，a桥臂上开关器件的控制向量只跟该相电压的状态有关，跟电流流向无关，因此控制向量间的转换决定于该相电压所对的状态转换，即P、N分别与0状态间相互转换的四种情况。然而，从控制效果来看，表2中各开关器件的控制向量可以等效成表3，因为，当电流ca>0时，不论电压状态如何，a桥臂上参与实际控制的只有VTa1和VTa2，而VTa3和VTa4的导通不仅对控制不起作用而且会在电平转换过程引入死区效应及干扰，因此，从控制效果出发，当ca>0时，封锁控制无效的开关器件VTa3和VTa4，只对参与实际控制的VTa1和VTa2加以控制不仅可以有效避免死区效应的引入，而且可以减少不必要的能量损耗及干扰，延长开关器件的使用寿命。同理，当电流ca<0时，封锁控制无效的开关器件VTa1和VTa2，只对VTa3和VTa4加以控制，同样可以达到类似的控制效果。

表3 a桥臂各开关器件的有效控制向量

图5 修正后的PWM控制信号

在电流流向不变的情况下，采用上述控制策略可以有效消除死区效应。然而，当电平转换与电流流向变化同时发生时，依然存在直通的可能，如图6所示。在0、P电平间转换时，随着电流流向的突变，PWM控制信号也发生了如图6(a)所示的变化，若电流由负向正的突变恰好发生在由0向P转换的瞬间，或电流由正向负的突变恰好发生在由P向0转换的瞬间时，VTa1、VTa2及VTa3同时动作，即会发生直通现象。同样，在0、N电平间转换时，随着电流流向的突变各开关器件的驱动PWM信号也发生了如图6(b)所示的变化，若电流由负向正的突变恰好发生在由N向0转换的瞬间，或电流由正向负的突变恰好发生在由0向N转换的瞬间时，VTa2、VTa3及VTa4同时动作，同样会发生直通现象。

图6 电流在任意时刻变化时的PWM信号

为解决电流过零时可能存在的直通问题，理论上在电压状态及电流极性同时、同向变化时加入死区即可，但实际中因受检测回路精度和采样速度等因素的制约，要做到同时对电压、电流信号极性的准确判断并非易事，尤其当过零点发生抖动时极易造成误判而造成误动作或失控现象发生。为此，本文提出了只检测电流信号并在电流过零点前后分别设置缓冲区间的方法，以降低对检测、采样环节的要求，以防过零点抖动导致的极性误判。设缓冲区间的边界电流为d，定义区间(d，+∞)为“P区”，区间(0，d)为“缓冲P区”，区间(-d，0)为“缓冲N区”，区间(-∞，-d)为“N区”。如图7所示，当谐波电流落在P区时，封锁 VTa3及VTa4；落在缓冲P区时，封锁VTa2、VTa3及VTa4；落在缓冲N区时，封锁VTa1、VTa2及VTa3；落在N区时，封锁VTa1及VTa2。

基于电流区间判断的直接PWM信号修正法的具体流程如图8所示。

图8 基于电流区间判断的直接PWM信号修正流程

3 仿真研究

为了验证本文所提方法的有效性，在Matlab中首先对APF补偿前电源电流的畸变情况进行了仿真；然后，在确保系统参数不变的前提下并入APF，并分别对常规控制以及基于电流区间判断的直接PWM信号修正控制下三电平APF的谐波补偿效果进行了仿真；最后，为了进一步验证该方法的有效性，对不同载波周期c下的谐波补偿效果分别进行了仿真。仿真参数为：电源相电压为220 V，频率为50 Hz，负载为阻性负载和三相不可控整流桥，负载电阻为30 Ω，APF直流侧电压dc=800 V，电容1=2=4 700 μF，交流侧电感=10 mH，死区时间d=5 μs。

APF补偿前，电源电流频谱如图10(a)所示， THD高达27.56%；在APF的常规控制下，a相开关器件VTa1、VTa3的PWM控制信号如图9(a)所示，开关管的开关次数较多且每个载波周期(c=0.1 ms)都有一段死区；电源电流频谱如图10(b)所示，谐波畸变率THD仍高达6.19%；在基于电流区间判断的直接PWM信号修正控制下，VTa1、VTa3的PWM控制信号如图9(b)所示，与常规控制下的图9(a)相比，剔除了开关器件的不必要导通，开关次数明显减少且只在缓冲区内有死区时间；电源电流频谱如图10(c)所示，THD降低到了3.81%，可见，APF的谐波补偿性能显著提高。进一步，将c由0.1 ms降到0.078 125 ms时，补偿结果如图10(d)所示，THD降到3.50%，可见因所提方法剔除了死区的影响，可以通过降低载波周期进一步提高补偿效果。

图9 VTa1、VTa3的PWM信号

4 结论

死区时间d是引起误差电压从而导致死区效应的最直接最重要的因素。对三电平并联型APF而言，在补偿电流方向不变时可以根据其开关控制规律消除d从而消除死区效应。在交流侧电压变化而补偿电流又恰好过零时则须插入d以排除桥臂直通隐患，实施过程中可通过在补偿电流过零点前后设置缓冲区间以避开对电流过零点的直接检测，从而降低对检测精度的依赖，避免电流过零点抖动导致的极性误判。基于上述研究结论而提出了基于电流区间判断的PWM信号修正方案，经仿真验证其有效可行，并有以下优点：

(1) 不仅消除了绝大多数死区，而且大大减少了开关器件的通断次数，降低了开关损耗和开关干扰；

(2) 电流缓冲区的设置使得无需精确检测电流过零点，避免了电流过零点抖动对控制的干扰；

(3) 该方案不受APF所采用的控制策略的限制，具有通用性且易于实现；

(4) 该方案可以在其他条件不变的前提下通过适当降低载波周期来提高APF的谐波补偿效果。

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(编辑 魏小丽)

Tri-level shunt APF dead-time effect analysis and its countermeasure research

WU Min1, MENG Runquan1, ZHAO Gang2

(1. College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2. China Coal Building & Installation Engineering Co., Ltd., Handan 056000, China)

In order to reduce the dead-time effect of tri-level shunt active power filter (APF), through the analysis of the production principle and influence factors of dead-time effect in APF, and combining with current flow to the mutations in the actual operation problems, a kind of PWM signal correction scheme based on the current interval judgment is designed. The scheme avoids detecting the current direction directly by setting the current buffers around zero current, by which the interference from current jitter around zero-crossing can be averted in the case of other factors unchanged. In this way the bad influence caused by the dead-time effect on the performance of APF harmonic compensation can be reduced. Last, the proposed schemes are verified by the Matlab simulation, and the results show that not only the vast majority of dead-time is eliminated, but also the redundant switches are removed, thus the harmonic compensation effect is superior to that of the conventional control.

tri-level shunt APF; dead-time effect; current interval judgment; PWM signal correction; harmonic compensation performance

10.7667/PSPC151354

山西省煤基重点科技攻关项目(MD2014-06)；太原理工大学校基金(团队)项目(2014TD022)

2015-08-03；

2015-09-25

武 敏(1989-)，女，通信作者，硕士研究生，主要研究方向为电源谐波治理；E-mail: 1035242744@qq.com 孟润泉(1968-)，男，博士，讲师，硕士生导师，研究方向为电力电子技术及其在电力系统中的应用。E-mail：mengrunquan@126.com