改進(jìn)的雙向互補(bǔ)單周控制在有源濾波器中的應(yīng)用

王林川，萬 晶，姚艷菊，李學(xué)良

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)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(gè)周期內(nèi)迫使可控開關(guān)變量平均值與控制參考電壓相等或成一定比例，在一個(gè)周期內(nèi)消除穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)誤差，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快和控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。相比其它控制，單周控制用于有源濾波器APF(Active Power Filter)控制時(shí)，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(jīng)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(wěn)定性問題，不少學(xué)者提出了各種改進(jìn)的控制方法，其中包括雙向互補(bǔ)控制策略[7-8]。雙向互補(bǔ)單周控制雖然解決了直流分量和局部穩(wěn)定問題，但是電網(wǎng)側(cè)電流波形有較大的諧波含量，這是因?yàn)槠淇刂品匠讨袥]有考慮死區(qū)時(shí)間，而主電路功率器件的固有死區(qū)時(shí)間會嚴(yán)重影響有源濾波器的工作效果。本文基于雙向互補(bǔ)單周控制，提出一種改進(jìn)的控制方法，能有效補(bǔ)償逆變器開關(guān)器件死區(qū)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(lián)型APF

設(shè)Us為交流側(cè)電源電壓，Uc為逆變器直流側(cè)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(guān)器件占空比，fs為APF的開關(guān)頻率，主電路如圖1所示。

圖1 單相并聯(lián)APF電路圖

1.2 雙向互補(bǔ)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(jīng)典單相有源濾波器單周控制策略的基礎(chǔ)上，又提出了雙向互補(bǔ)控制策略。

雙向互補(bǔ)單周控制的控制方程為

其中式(1)為電源正半周時(shí)的控制關(guān)系，式(2)為電源負(fù)半周時(shí)的控制關(guān)系，Re為總的等效負(fù)載電阻，可以由變換器直流側(cè)電容電壓作適當(dāng)分壓得到。雙向互補(bǔ)控制模型如圖2所示。

圖2 雙向互補(bǔ)控制模型

在雙向互補(bǔ)控制模型中，兩路控制共用一個(gè)積分器，在輸出端，用選擇器選擇其中一路信號作為開關(guān)信號輸出。雙向互補(bǔ)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(dá)到全局穩(wěn)定，有效抵制低頻次諧波。但從以前學(xué)者的仿真中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)補(bǔ)償后的電網(wǎng)側(cè)電流波形有較大的諧波含量。

2 改進(jìn)的雙向互補(bǔ)單周控制

補(bǔ)償后的電網(wǎng)側(cè)電流有較大諧波含量是由于以往的雙向互補(bǔ)控制并沒有考慮死區(qū)補(bǔ)償[9-10]，影響其控制效果，為此，本文提出一種改進(jìn)的雙向互補(bǔ)控制。

由于逆變器主電路中的功率開關(guān)元件不是理想開關(guān)，為防止逆變器上下橋臂發(fā)生直通短路故障，必須在其驅(qū)動(dòng)信號中設(shè)置一段死區(qū)時(shí)間。設(shè)控制信號的死區(qū)時(shí)間為td，逆變器輸出電感電流iL流入逆變器方向?yàn)檎?，逆變橋示意圖如圖3所示。

圖3 逆變器示意圖

設(shè)k=td/T，則iL為正時(shí)，M1﹑M4的延時(shí)導(dǎo)通對電路不產(chǎn)生影響，而M2﹑M3的延時(shí)導(dǎo)通使占空比變?yōu)閐-k。占空比的改變，嚴(yán)重影響到雙向互補(bǔ)單周控制的控制精度，死區(qū)效應(yīng)波形如圖4所示。

圖4 死區(qū)效應(yīng)波形示意圖

在單周控制有效工作時(shí)，有如下關(guān)系:

考慮死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償，當(dāng)iL為正時(shí)，將開關(guān)周期占空比放大k則

將其聯(lián)立雙向互補(bǔ)控制方程，同理推得iL為負(fù)時(shí)的控制方程。最終得到雙向互補(bǔ)單周控制方程為

式(3)是iL為正時(shí)的控制方程，式(4)是iL為負(fù)時(shí)的控制方程。對比可知，只需要在原控制電路的基礎(chǔ)上增加一個(gè)增益為2k的比例環(huán)節(jié)和一個(gè)測量iL極性的符號模塊即可達(dá)到控制目的。改進(jìn)的雙向互補(bǔ)單周控制原理如圖5所示。

圖5 改進(jìn)的雙向互補(bǔ)單周控制原理圖

3 電路仿真與分析

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

圖6 仿真圖

采用改進(jìn)的雙向互補(bǔ)單周控制方法后，仿真結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:

圖7 仿真結(jié)果圖

1)補(bǔ)償后的電源電流波形接近于標(biāo)準(zhǔn)正弦。

2)當(dāng)裝置未進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償時(shí)，經(jīng)補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流有較大的諧波含量，而改進(jìn)后電網(wǎng)側(cè)電流波形理想，并且電壓和電流幾乎同相位，大大提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，表明能夠有效消除死區(qū)效應(yīng)的消極影響，提高控制精度。

4 結(jié)語

雙向互補(bǔ)單周控制可抑制有源濾波器的直流分量，并可以使全局穩(wěn)定，但有源濾波器的主電路功率器件存在固有死區(qū)時(shí)間，使得電源電流產(chǎn)生諧波分量。本文提出一種改進(jìn)的雙向互補(bǔ)控制策略，對死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。死區(qū)的存在相當(dāng)于改變了單周控制的占空比，重新建立了雙向互補(bǔ)單周控制方程。仿真實(shí)驗(yàn)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(dòng)化設(shè)備，2007，27(1):26-30.

[3]QIAO Chongming，SMEDLEY K M，F(xiàn)RANCO 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(dòng)化設(shè)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(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(3):85-89.

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

[8]費(fèi)萬民，呂征宇，錢挺.基于互補(bǔ)策略的新型單周控制有源濾波器[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(3):50-53.

[9]范瑞祥，周臘吾，肖紅霞，等.APF逆變器中死區(qū)效應(yīng)研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)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(qū)效應(yīng)與補(bǔ)償方法[J].高電壓技術(shù)，2006，32(8):73-76.