一种新型滞环电流的空间矢量控制方法

陈华敏,任立民,申一歌

1.南阳理工学院电子与电气工程学院,河南 南阳 473000

2.南阳理工学院机械与汽车工程学院,河南 南阳 473000

3.河南工业职业技术学院机电自动化学院,河南 南阳 473000

由于谐波补偿效应，在高频状态下工作的主电路具有较高的功率损耗及故障率，有源电力滤波器（Active power filter，APF）在抑制谐波方面的作用较小，同时在主电路运行出问题的情况下，APF还可能增加整个系统的谐波污染。因此，改善APF 性能，特别是改进控制方法，对提升电路系统性能有重要的促进作用。

APF 的控制方法包括三角波比较控制、单周期控制、滞环电流控制及矢量控制[1,2]。在三角波比较控制中，开关频率是固定的，并且对于补偿电流不能实现静差跟踪，但是，如果负载电流的变化率大，则控制误差大，因为开关频率是固定的[3]。单周期控制具有检测流程简单、响应速度快等优点，但采样率低及抗干扰能力差[4]。滞环电流控制具有结构简单、响应速度快等特点[5]，矢量控制具有结构复杂、动态响应好等特点[6]。

本研究基于APF 的滞环电流控制方法，结合矢量控制方法的特点，提出了一种多维滞环电流的空间矢量控制方法[7]，通过仿真模拟及试验研究验证该方法的有效性。

1 新型滞环电流控制策略

APF 的拓扑结构，如图1 所示。该结构的特点是在每个桥臂中使用两个二极管来进行器件转换，从而实现三层结构[8]。这种拓扑的顶部电路结构相对简单，其控制技术相对成熟。从三层APF 拓扑结构可以看出，每个桥臂采用四个IGBT 的串联电压部分形式，可以降低每个IGBT 的电压要求[9]。但三层APF 使用更多的盒式二极管，这些二极管更广泛地应用于频率变化较低的场合[10]。

图2 为并联有源滤波器的结构，图中的负载代表典型的谐波源，APF 的主电路使用三相电压型PWM 变换器，在DC 侧连接大电容，保证电源电压的稳定性，图中isa、isb、isc为不同电网侧的电流、iLa、iLb、iLc为负载电流，ica、icb、icc为APF 产生的补偿电流。

图1 三层APF 的并联拓扑结构Fig.1 Parallel topology of three-layer APF

图2 并联有源滤波器结构Fig.2 Shunt active filter structure

根据节点电流定律，系统侧电流与负载电流和补偿电流的关系：

式中，iLf、iLh分别为基波和谐波分量，由负载电流决定，并联有源滤波器的补偿电流必须补偿负载电流的谐波，即产生一个大小相等、方向相反的电流-iLh，补偿后电网侧的电流为：

从上式可以推断，在加入并联有源滤波器进行补偿后，电网侧的电流仅为正弦负载电流的基波分量，从而消除了电网侧的谐波污染。

为了将APF 应用于高压场景，自20 世纪80 年代以来，专家们开发了两种或更多种APF，不仅克服了两级APF 的固有缺点，并且还具有了许多优点。扁平APF 被广泛使用，是因为它适用于高压应用。Conergy 公司提出了T 型三电平APF 拓扑结构，该结构基于三电平APF 拓扑结构进行了改进，其拓扑结构如图3 所示。该电路拓扑不仅可以减少所用箱式二极管的数量，还可以达到减少各功率器件损耗的目的，适用于高开关频率的场合。同时，T 型三电平APF 在减少箱式二极管的使用次数时也增加了开关管的耐压。

图3 APF 的三级并联型拓扑结构Fig.3 Three-level parallel topology of APF

图4 电容飞跨型三电平并联型APF 的拓扑结构Fig.4 Topology of capacitive flying-span three-level parallel APF

飞跨电容器三级APF和二极管中点盒式三级APF拓扑结构之间的主要区别在于使用飞跨电容器Ca-Cc取代箱位二极管VD1-VD6，电路如图4 所示。快速电容器型三电平APF 使用更多电容器，通过控制电容器的电压平衡电容器的电压，但由于控制复杂而不常使用。

α、β轴为有源滤波器输出电压的分量，有七个非零矢量。对α、β轴采用4 阶和3 阶滞后比较器，图5 显示了APF 输出电压空间矢量和分段方法，图6 为系统原理图。

图5 APF 输出电压空间矢量Fig.5 APF output voltage space vector

图6 多阶滞环空间矢量控制图Fig.6 Multiorder hysteresis loop space vector control diagram

2 仿真分析及试验研究

将APF 仿真模型建立在Matlab 环境中，模拟矢量处理方法并与多阶滞后空间矢量控制方法的结果比较，电源线电压380 V，电网频率50 Hz，直流稳定在900 V，系统阻抗可以忽略不计，具有电阻负载的三相不可逆整流桥为谐波源，其中电阻为8 Ω，电感为4 mH；电容为0.0023 F。

从图7 的波形的形式可以看出，使用传统滞环控制的总谐波失真为7.25%，而采用多阶滞环空间矢量控制时，电源上的电流波形能够清晰的显示出来，总谐波失真降至2.09%，谐波失真率明显降低，验证了本文给出方法的有效性及准确性。

图7 仿真结果波形图Fig.7 Waveform diagram of simulation results

为了进一步验证所提出的新滞环空间矢量控制方法的准确性，我们在实验平台上构建了一个APF 系统，并使用TI 的TMS320F28335 和三菱的智能功率模块PM25RSK120。侧电压为350 V，带电阻负载的三相不可控整流桥为谐波源，其余参数与仿真相同。图8 为基于多维滞环空间矢量控制方法的APF 波形。

图8 实验波形Fig.8 Experimental waveform

进一步对三种滞环控制方法进行对比研究（图9），由此可见，本研究给出的新型滞环控制算法下的A 相输入电流波形光滑且毛刺最少，电流过零畸变的问题得到了极大改善。

图9 对比试验结果波形Fig.9 Waveform diagram of contrast test results

图10 A 相开关损耗的比较Fig.10 Comparison of A phase switching losses

图10 为传统控制系统的电流与新控制系统的电流比较，曲线S1 表示根据传统控制方法的A 相开关损耗，曲线S4 表示根据新的滞环控制方法的A 相开关损耗，曲线S2 和S3 为三阶滞环控制方法以及矢量控制方法的A 相开关损耗，通过比较发现，本文提出的新型滞环控制方法在开关频率和误差电流方面的效果最好。

3 结论

本研究提出了一种新型滞环电流的矢量控制方法，通过三相平均电流、波形以及开关损耗等参数的仿真模拟及试验研究，结果显示，本研究给出的新型滞后电流的矢量控制方法能够有效地调节每相的滞后，最有效的降低有源滤波器的开关损耗。