改進的雙向互補單周控制在有源濾波器中的應用

王林川，萬 晶，姚艷菊，李學良

(東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

單周控制[1-6]是一種大信號、非線性控制方法，是在每個周期內迫使可控開關變量平均值與控制參考電壓相等或成一定比例，在一個周期內消除穩態和暫態誤差，具有結構簡單、響應速度快和控制精度高的優點。相比其它控制，單周控制用于有源濾波器APF(Active Power Filter)控制時，不需要檢測諧波電流，省去了諧波檢測過程和諧波檢測電路，使控制電路大大簡化，提高了可靠性。

經典的單周控制理論由于控制策略上的不足，存在電流直流分量問題和局部穩定性問題，不少學者提出了各種改進的控制方法，其中包括雙向互補控制策略[7-8]。雙向互補單周控制雖然解決了直流分量和局部穩定問題，但是電網側電流波形有較大的諧波含量，這是因為其控制方程中沒有考慮死區時間，而主電路功率器件的固有死區時間會嚴重影響有源濾波器的工作效果。本文基于雙向互補單周控制，提出一種改進的控制方法，能有效補償逆變器開關器件死區所帶來的影響，提高控制效果。

1 單相單周控制APF

1.1 單相并聯型APF

設Us為交流側電源電壓，Uc為逆變器直流側電壓，UVN為逆變器輸出電壓，UL為電感兩端電壓，is為電源電流，ic為濾波器輸出電流，Rs為采樣電阻，d為開關器件占空比，fs為APF的開關頻率，主電路如圖1所示。

圖1 單相并聯APF電路圖

1.2 雙向互補單周控制APF

為了改善單相單周控制有源濾波器的性能和抑制直流分量，在研究經典單相有源濾波器單周控制策略的基礎上，又提出了雙向互補控制策略。

雙向互補單周控制的控制方程為

其中式(1)為電源正半周時的控制關系，式(2)為電源負半周時的控制關系，Re為總的等效負載電阻，可以由變換器直流側電容電壓作適當分壓得到。雙向互補控制模型如圖2所示。

圖2 雙向互補控制模型

在雙向互補控制模型中，兩路控制共用一個積分器，在輸出端，用選擇器選擇其中一路信號作為開關信號輸出。雙向互補單周控制可使電流波形對稱，可從參考信號的角度消除電流直流分量，使單周控制有源濾波器達到全局穩定，有效抵制低頻次諧波。但從以前學者的仿真中可以發現，經補償后的電網側電流波形有較大的諧波含量。

2 改進的雙向互補單周控制

補償后的電網側電流有較大諧波含量是由于以往的雙向互補控制并沒有考慮死區補償[9-10]，影響其控制效果，為此，本文提出一種改進的雙向互補控制。

由于逆變器主電路中的功率開關元件不是理想開關，為防止逆變器上下橋臂發生直通短路故障，必須在其驅動信號中設置一段死區時間。設控制信號的死區時間為td，逆變器輸出電感電流iL流入逆變器方向為正，逆變橋示意圖如圖3所示。

圖3 逆變器示意圖

設k=td/T，則iL為正時，M1﹑M4的延時導通對電路不產生影響，而M2﹑M3的延時導通使占空比變為d-k。占空比的改變，嚴重影響到雙向互補單周控制的控制精度，死區效應波形如圖4所示。

圖4 死區效應波形示意圖

在單周控制有效工作時，有如下關系:

考慮死區效應補償，當iL為正時，將開關周期占空比放大k則

將其聯立雙向互補控制方程，同理推得iL為負時的控制方程。最終得到雙向互補單周控制方程為

式(3)是iL為正時的控制方程，式(4)是iL為負時的控制方程。對比可知，只需要在原控制電路的基礎上增加一個增益為2k的比例環節和一個測量iL極性的符號模塊即可達到控制目的。改進的雙向互補單周控制原理如圖5所示。

圖5 改進的雙向互補單周控制原理圖

3 電路仿真與分析

為了驗證控制方法的有效性，用Matlab/Simulink對模型進行仿真分析，仿真參數如下:電源電壓有效值為220 V，頻率為50 Hz，逆變器直流側電容為1 000 μF，電壓控制在400 V，交流側電感6 mH，按如圖6所示進行仿真。

圖6 仿真圖

采用改進的雙向互補單周控制方法后，仿真結果如圖7所示。由圖7可知:

圖7 仿真結果圖

1)補償后的電源電流波形接近于標準正弦。

2)當裝置未進行死區補償時，經補償后的網側電流有較大的諧波含量，而改進后電網側電流波形理想，并且電壓和電流幾乎同相位，大大提高系統的功率因數，表明能夠有效消除死區效應的消極影響，提高控制精度。

4 結語

雙向互補單周控制可抑制有源濾波器的直流分量，并可以使全局穩定，但有源濾波器的主電路功率器件存在固有死區時間，使得電源電流產生諧波分量。本文提出一種改進的雙向互補控制策略，對死區效應進行補償。死區的存在相當于改變了單周控制的占空比，重新建立了雙向互補單周控制方程。仿真實驗表明所提出的方法可以使控制精度更高、控制效果更好。

[1]SMEDLEY K M，CUK S.One-cycle control of switching converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，1995，10(6):625-633.

[2]雷鵬，周林，周莉，等.基于單周控制的三電平三相四線制有源電力濾波器[J].電力自動化設備，2007，27(1):26-30.

[3]QIAO Chongming，SMEDLEY K M，FRANCO M.A single-phase active power filter with one-cycle control under unipolar operation[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems，2004，51(8):1623-1630.

[4]鄒榮盛，劉會金，陳允平，等.一種新型有源濾波器控制方法—單周控制[J].電力自動化設備，2004，27(7):75-78.

[5]QIAO Chongming，JIN Taotao，SMEDLEY KEYUE M.One-cycle control of three-phase active power filter with vector operation[J].IEEE Trans actions on Industrial Electronics，2004，51(2):455-463.

[6]周林，蔣建文，周雒維，等.基于單周控制的三相四線制有源電力濾波器[J].中國電機工程學報，2003，23(3):85-89.

[7]錢挺，呂征宇.新型有源濾波器的雙向互補控制方案[J].中國電機工程學報，2003，23(9):44-47.

[8]費萬民，呂征宇，錢挺.基于互補策略的新型單周控制有源濾波器[J].電力系統自動化，2003，27(3):50-53.

[9]范瑞祥，周臘吾，肖紅霞，等.APF逆變器中死區效應研究[J].電力自動化設備，2005，25(2):37-39.

[10]夏向陽，羅安，李茂軍，等.有源濾波器中逆變器的死區效應與補償方法[J].高電壓技術，2006，32(8):73-76.