單周控制技術(shù)在有源電力濾波器中的應(yīng)用

鄧孝祥，湯旭日，王紅遠(yuǎn)

黑龍江科技學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027

1 概述

隨著電力電子快速發(fā)展，電網(wǎng)中各種諧波越來(lái)越多，影響到了電網(wǎng)的正常輸電。因此，如何消除電網(wǎng)中的諧波是相關(guān)人士探究的重要課題。而APF能夠有效補(bǔ)償頻率及大小都發(fā)生變化的諧波，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)濾波器各種不足之處，因此被電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用。而單周控制屬于新型的非線性控制模式，能夠有效確保每周開關(guān)變量的控制參量和平均值成比例或者相當(dāng)，有效消除了瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)誤差，目前被APF中廣泛應(yīng)用。

2 單周控制技術(shù)

2.1 單周控制技術(shù)特征

事實(shí)上，APF具備的補(bǔ)償性能幾乎取于畸變電流的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及控制逆變器的輸出電流。但是目前跟蹤控制APF電流使用最多方法就是PWM控制，但是這些控制方法都存在不足之處，比如三角載波波形畸變、滯環(huán)控制開關(guān)的頻率變化等各種不足。因此就在APF之中應(yīng)用了單周控制技術(shù)，具備了如下幾個(gè)方面的特征：

1）傳統(tǒng)的反饋控制一旦出現(xiàn)了誤差，就需要使用后面的幾個(gè)周期來(lái)消除誤差，但是應(yīng)用單周控制技術(shù)且不相同，而是在一個(gè)周期中就能夠?qū)⑺矐B(tài)與穩(wěn)態(tài)誤差消除掉，反應(yīng)十分快；2）能夠有效抵抗電源的干擾，確保APF正常運(yùn)行；3）一個(gè)周期中，開關(guān)變量所輸出平均值隨著控制參考的變化而變化；4）單周控制電路比較簡(jiǎn)單，省去了一些乘法器和其他一些比較復(fù)雜的元器件；5）在運(yùn)行中不需要產(chǎn)生出參考信號(hào)，更不需要過(guò)多電壓傳感器。

所以在APF中應(yīng)用單周控制技術(shù)，也就不需要生成基準(zhǔn)電流，僅僅需要檢測(cè)輸入電流與APF中的直流電壓，有效簡(jiǎn)化了控制電路。

3 APF中應(yīng)用單周控制技術(shù)

3.1 應(yīng)用于單相APT中

本文探究的單相APT中使用了雙極性單調(diào)控制技術(shù)，其電路如圖1所示。

從圖1的電路圖中可以看出來(lái)，在本電路的控制環(huán)中就去掉了電壓傳感器與乘法器控制電路，本電路中的控制電路由一些比較器、可復(fù)位的積分器、觸發(fā)器以及時(shí)鐘電路共同組成，而檢測(cè)出來(lái)的電壓電容和參考值進(jìn)行比較，出現(xiàn)偏差就是經(jīng)過(guò)PI控制器來(lái)補(bǔ)償，但是要出現(xiàn)誤差電壓Vm，PI控制器主要作用就要確保直流側(cè)電容的電壓恒定不變，但是只要是時(shí)鐘信息來(lái)到，必然會(huì)讓VS2與VS3開始導(dǎo)通，這樣積分器就開始積分測(cè)電容上的誤差信號(hào)，一旦積分值搞過(guò)了Vm（1-2D），比較器就會(huì)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)輸出的信號(hào)，高電平變成低電平，低電平成為了高電平，這樣就會(huì)產(chǎn)生出復(fù)位信號(hào)，就將積分器復(fù)位，就將VS2與VS3關(guān)斷，讓VS1與VS4導(dǎo)通，確保了輸出Vm穩(wěn)定。一旦下個(gè)周期的時(shí)鐘脈沖來(lái)到之時(shí)，就會(huì)再一次重復(fù)著以上的動(dòng)作。

圖1 雙極性模式應(yīng)用于單相APT中的電路

圖2 三相三線中應(yīng)用單相控制

當(dāng)變換器在雙極性模式上工作之時(shí)，到達(dá)每個(gè)周期時(shí)節(jié)點(diǎn)P與N間電壓就變成V0或者-V0，也就是直流側(cè)電壓經(jīng)過(guò)了電力濾波器中的H橋變化，在交流側(cè)就轉(zhuǎn)變極性，假如此時(shí)的負(fù)載比較輕就極易產(chǎn)生直流偏移。而且控制中所有開關(guān)都在高開關(guān)的頻率下進(jìn)行工作，必然嚴(yán)重?fù)p耗到開關(guān)。在這種情況下，就采用了單極性單周控制技術(shù)。每次輪到開關(guān)周期，一旦VS超過(guò)0，VS4就導(dǎo)通在搬個(gè)工頻周期中，VS1與VS2輪流在開關(guān)的周期中導(dǎo)通；但是VS低于0，VS3就導(dǎo)通在搬個(gè)工頻周期中，VS1與VS2輪流在開關(guān)的周期中導(dǎo)通；也就是當(dāng)H橋變換直流側(cè)電壓指示就不會(huì)改變交流的極性，和雙極性的模式相比較，當(dāng)采用單極性時(shí)因?yàn)閮蓚€(gè)開關(guān)同時(shí)工作于工頻狀態(tài)，而其他的兩個(gè)開關(guān)且處于較高開關(guān)頻率，有效降低了對(duì)開關(guān)的損耗，提升了工作效率。同時(shí)正負(fù)半周還在對(duì)稱狀態(tài)下工作，有效消除直流偏移。但是采用單極性就要對(duì)電源電路進(jìn)行檢測(cè)，需要對(duì)電源電壓過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。

圖3 三相四線中應(yīng)用單相控制

如今，在APF中應(yīng)用的單周控制技術(shù)，大都使用單環(huán)控制模式，但是這種方式還是存在一些問(wèn)題，那就是在進(jìn)線電流之中帶進(jìn)了直流分量。因此應(yīng)用雙環(huán)控制能夠有效除掉三角波積分在時(shí)間上產(chǎn)生的誤差，以及電流紋波產(chǎn)生出來(lái)的直流分量，控制的方程如下式：該式中的is1為頻率為50Hz的交流成分；is0為電路中的直流分量；I0表示電流is積分值。從式中可知，就能夠通過(guò)is0實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)，一旦將is0調(diào)節(jié)為零之時(shí)，I0的積分值就變成穩(wěn)定值，如果在該控制電路之中加設(shè)上一個(gè)電流積分電路，就能夠閉環(huán)調(diào)節(jié)直流分量，在APF之中發(fā)揮中單周控制作用。

3.2 應(yīng)用于三相三線APT

將單相控制技術(shù)應(yīng)用在三相三線的APT中，其具體的電路如圖2所示。

在實(shí)際運(yùn)用中APT則要求能量在直流電容側(cè)與交流側(cè)間來(lái)回流動(dòng)，所以變化器就要在四個(gè)象限之間進(jìn)行工作，而且橋臂上驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)信號(hào)設(shè)置成互補(bǔ)，這樣就讓變換器始終處于了連續(xù)的導(dǎo)電模式，具體控制方程是：始終處于了連續(xù)的導(dǎo)電模式，具體控制方程是：始終處于了連續(xù)的導(dǎo)電模式，具體控制方程是：始終處于了連續(xù)的導(dǎo)電模式，具體控制方程是：始終處于了連續(xù)的導(dǎo)電模式，具體控制方程是：

3.3 應(yīng)用于三相四線APT

將單相控制技術(shù)應(yīng)用在三相四線的APT中，其具體的電路如圖3所示。

在該系統(tǒng)之中，APF不但要給補(bǔ)償三相上電流諧波，而且要抑制零線電流，將電源側(cè)零線電流消除掉，確保三相電流的對(duì)稱。相對(duì)于主電路來(lái)看，這種方式分為了三相變流器與四相變流器兩種模式，自然相對(duì)于控制電路也存在各自特征。如果使用了單周控制技術(shù)根本不需要對(duì)負(fù)載畸變電流進(jìn)行單獨(dú)檢測(cè)與計(jì)算，更不需要使用乘法器來(lái)計(jì)算基波電流，有效降低了APF結(jié)構(gòu)，讓整個(gè)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單與可靠，極大提升了性價(jià)比。

4 結(jié)論

總而言之，電力電子技術(shù)高速發(fā)展同時(shí)也加重了各種諧波的危害性，這就需要加大改善APF技術(shù)的速度。而在APF中應(yīng)用單周控制技術(shù)，不再需要對(duì)電源電壓與負(fù)載電流進(jìn)行檢測(cè)，也不需要使用乘法器，有效簡(jiǎn)化電流跟蹤控制與諧波檢測(cè)電路，讓整個(gè)控制電路更為可靠、簡(jiǎn)單以及無(wú)延遲。因此單周控制技術(shù)各種優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)出具備廣大的應(yīng)用市場(chǎng)。

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