一種新型滯環電流的空間矢量控制方法

陳華敏,任立民,申一歌

1.南陽理工學院電子與電氣工程學院,河南 南陽 473000

2.南陽理工學院機械與汽車工程學院,河南 南陽 473000

3.河南工業職業技術學院機電自動化學院,河南 南陽 473000

由于諧波補償效應，在高頻狀態下工作的主電路具有較高的功率損耗及故障率，有源電力濾波器（Active power filter，APF）在抑制諧波方面的作用較小，同時在主電路運行出問題的情況下，APF還可能增加整個系統的諧波污染。因此，改善APF 性能，特別是改進控制方法，對提升電路系統性能有重要的促進作用。

APF 的控制方法包括三角波比較控制、單周期控制、滯環電流控制及矢量控制[1,2]。在三角波比較控制中，開關頻率是固定的，并且對于補償電流不能實現靜差跟蹤，但是，如果負載電流的變化率大，則控制誤差大，因為開關頻率是固定的[3]。單周期控制具有檢測流程簡單、響應速度快等優點，但采樣率低及抗干擾能力差[4]。滯環電流控制具有結構簡單、響應速度快等特點[5]，矢量控制具有結構復雜、動態響應好等特點[6]。

本研究基于APF 的滯環電流控制方法，結合矢量控制方法的特點，提出了一種多維滯環電流的空間矢量控制方法[7]，通過仿真模擬及試驗研究驗證該方法的有效性。

1 新型滯環電流控制策略

APF 的拓撲結構，如圖1 所示。該結構的特點是在每個橋臂中使用兩個二極管來進行器件轉換，從而實現三層結構[8]。這種拓撲的頂部電路結構相對簡單，其控制技術相對成熟。從三層APF 拓撲結構可以看出，每個橋臂采用四個IGBT 的串聯電壓部分形式，可以降低每個IGBT 的電壓要求[9]。但三層APF 使用更多的盒式二極管，這些二極管更廣泛地應用于頻率變化較低的場合[10]。

圖2 為并聯有源濾波器的結構，圖中的負載代表典型的諧波源，APF 的主電路使用三相電壓型PWM 變換器，在DC 側連接大電容，保證電源電壓的穩定性，圖中isa、isb、isc為不同電網側的電流、iLa、iLb、iLc為負載電流，ica、icb、icc為APF 產生的補償電流。

圖1 三層APF 的并聯拓撲結構Fig.1 Parallel topology of three-layer APF

圖2 并聯有源濾波器結構Fig.2 Shunt active filter structure

根據節點電流定律，系統側電流與負載電流和補償電流的關系：

式中，iLf、iLh分別為基波和諧波分量，由負載電流決定，并聯有源濾波器的補償電流必須補償負載電流的諧波，即產生一個大小相等、方向相反的電流-iLh，補償后電網側的電流為：

從上式可以推斷，在加入并聯有源濾波器進行補償后，電網側的電流僅為正弦負載電流的基波分量，從而消除了電網側的諧波污染。

為了將APF 應用于高壓場景，自20 世紀80 年代以來，專家們開發了兩種或更多種APF，不僅克服了兩級APF 的固有缺點，并且還具有了許多優點。扁平APF 被廣泛使用，是因為它適用于高壓應用。Conergy 公司提出了T 型三電平APF 拓撲結構，該結構基于三電平APF 拓撲結構進行了改進，其拓撲結構如圖3 所示。該電路拓撲不僅可以減少所用箱式二極管的數量，還可以達到減少各功率器件損耗的目的，適用于高開關頻率的場合。同時，T 型三電平APF 在減少箱式二極管的使用次數時也增加了開關管的耐壓。

圖3 APF 的三級并聯型拓撲結構Fig.3 Three-level parallel topology of APF

圖4 電容飛跨型三電平并聯型APF 的拓撲結構Fig.4 Topology of capacitive flying-span three-level parallel APF

飛跨電容器三級APF和二極管中點盒式三級APF拓撲結構之間的主要區別在于使用飛跨電容器Ca-Cc取代箱位二極管VD1-VD6，電路如圖4 所示。快速電容器型三電平APF 使用更多電容器，通過控制電容器的電壓平衡電容器的電壓，但由于控制復雜而不常使用。

α、β軸為有源濾波器輸出電壓的分量，有七個非零矢量。對α、β軸采用4 階和3 階滯后比較器，圖5 顯示了APF 輸出電壓空間矢量和分段方法，圖6 為系統原理圖。

圖5 APF 輸出電壓空間矢量Fig.5 APF output voltage space vector

圖6 多階滯環空間矢量控制圖Fig.6 Multiorder hysteresis loop space vector control diagram

2 仿真分析及試驗研究

將APF 仿真模型建立在Matlab 環境中，模擬矢量處理方法并與多階滯后空間矢量控制方法的結果比較，電源線電壓380 V，電網頻率50 Hz，直流穩定在900 V，系統阻抗可以忽略不計，具有電阻負載的三相不可逆整流橋為諧波源，其中電阻為8 Ω，電感為4 mH；電容為0.0023 F。

從圖7 的波形的形式可以看出，使用傳統滯環控制的總諧波失真為7.25%，而采用多階滯環空間矢量控制時，電源上的電流波形能夠清晰的顯示出來，總諧波失真降至2.09%，諧波失真率明顯降低，驗證了本文給出方法的有效性及準確性。

圖7 仿真結果波形圖Fig.7 Waveform diagram of simulation results

為了進一步驗證所提出的新滯環空間矢量控制方法的準確性，我們在實驗平臺上構建了一個APF 系統，并使用TI 的TMS320F28335 和三菱的智能功率模塊PM25RSK120。側電壓為350 V，帶電阻負載的三相不可控整流橋為諧波源，其余參數與仿真相同。圖8 為基于多維滯環空間矢量控制方法的APF 波形。

圖8 實驗波形Fig.8 Experimental waveform

進一步對三種滯環控制方法進行對比研究（圖9），由此可見，本研究給出的新型滯環控制算法下的A 相輸入電流波形光滑且毛刺最少，電流過零畸變的問題得到了極大改善。

圖9 對比試驗結果波形Fig.9 Waveform diagram of contrast test results

圖10 A 相開關損耗的比較Fig.10 Comparison of A phase switching losses

圖10 為傳統控制系統的電流與新控制系統的電流比較，曲線S1 表示根據傳統控制方法的A 相開關損耗，曲線S4 表示根據新的滯環控制方法的A 相開關損耗，曲線S2 和S3 為三階滯環控制方法以及矢量控制方法的A 相開關損耗，通過比較發現，本文提出的新型滯環控制方法在開關頻率和誤差電流方面的效果最好。

3 結論

本研究提出了一種新型滯環電流的矢量控制方法，通過三相平均電流、波形以及開關損耗等參數的仿真模擬及試驗研究，結果顯示，本研究給出的新型滯后電流的矢量控制方法能夠有效地調節每相的滯后，最有效的降低有源濾波器的開關損耗。