并联有源滤波器PWM控制策略比较与实验分析

吴 峰，郑建勇，梅 军，王立峰

（1.东南大学电气工程学院，南京 210096；2.东南大学苏州研究院电气设备与自动化重点实验室，苏州 215123）

有源电力滤波器APF（active power filter）作为能够动态消除谐波并且补偿无功的电力电子设备，近年来越来越受到人们的普遍关注。APF通过改变其控制策略，可以针对不同谐波源进行谐波治理。电压源逆变器由于其固有的经济、高效和快速等优点被广泛采用。补偿效果主要由取决于检测准确度和控制精度。有源电力滤波器的电流跟踪控制电路就是依据指令电流运算电路得到的指令信号，通过控制主电路开关器件的开通与关断使最终输出电流能够实时跟踪指令电流的变化。

当今，APF应用的脉冲宽度调制PWM（pulse width modulation）控制方法主要有以下几种：采用滞环的控制方式，采用三角载波比较的控制方式，定时比较的控制方式和基于空间矢量的控制方式等。每种方式都各有其优缺点，实际工程中均有应用。本文针对这几种电流控制方式进行了比较说明，并在MATLAB／SIMULINK软件中对有源电力滤波器应用的三种控制策略进行了仿真分析，并给出了开关频率频谱分析及电流跟踪误差的仿真波形，同时给出对应不同控制算法的抑制开关频率附近谐波的滤波器的设计原则。针对三角载波PWM控制策略搭建试验平台，验证控制算法的正确性，说明有源滤波器良好的补偿效果。

1 谐波电流检测技术

谐波电流检测技术的好坏对有源电力滤波器的性能有较大影响，两个主要因素是检测精度和延时。目前工程上常用的主流谐波检测方法包括基于频域分析的快速傅里叶变换检测法［1］，基于瞬时功率理论的谐波电流检测法［2，3］，基于自适应干扰抵消原理的检测法［4］，基于神经网络的检测法［5］，基于Fryze时域分析的有功电流检测法［6］等。

基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法不受电网电压波形畸变影响，在检测电流谐波的同时还可以检测无功，但是检测延时时间长短受低通滤波器影响，而且无法检测出各次谐波，因此有一定的局限性。快速傅里叶变换检测法检测精度高，可以单独检测各次谐波，但是缺点明显，其计算量大，实时性较差，改进的滑窗算法有一定的实用性。自适应谐波电流检测法同样不受电网电压波形畸变的影响，有良好的检测精度，但是参考电压幅值对检测结果有较大影响，幅值较小时检测精度高但动态响应缓慢，因此在选取参考电压信号时，既要考虑检测精度，又要兼顾响应时间。由学者Fryze提出，经Buchholz和Dpenbrock改进的FBD（fryze－Buchholz－Dpenbrock）法不需进行复杂的矩阵变化，可以直接检测出基波正序有功和无功分量，该方法可以用于三相三线或三相四线制线路，但此种方法目前仅停留在理论分析与仿真阶段，尚未投入到工程应用。

谐波检测是研究和分析谐波问题的主要依据和出发点，也是进行谐波抑制的关键技术问题，相关研究工作仍在不断推进。

2 电流跟踪PWM控制技术

电流跟踪控制技术是APF的另一项核心技术，直接决定补偿性能，其控制目标要求使得逆变器输出迅速、准确地跟随参考信号变化，具有良好的自适应性和鲁棒性。

2.1 基于滞环的控制技术

滞环控制原理图如图1所示。补偿电流的跟随性能与滞环比较器的环宽H有着密切的关系。如果H值比较大，则开关频率较低，虽然对电力半导体器件要求降低，但有较大跟随误差。如果H值比较小，虽然跟踪误差会降低，但是开关频率会因此而提高，将对半导体器件提出更高要求［7］。

图1 电流滞环控制原理Fig.1 Schematic of hysteresis current control strategy

使用滞环比较器的瞬时值比较方式，一般环宽是固定不变的，导致主电路电力半导体器件的开关频率不断变化。利用DSP进行数字控制时，可以通过定时器控制开关频率，这样就不会因为频率过高而损坏器件。

2.2 基于三角载波的控制技术

图2为三角载波控制原理，其将i＊c和ic的差值Δic经比例放大器后再与三角载波比较。此系统是按照把Δic控制为最小而设计的。

图2 三角载波控制原理Fig.2 Schematic of triangular carrier current control strategy

三角载波控制的好处是开关器件的频率是固定值，其值与三角载波频率相等，方便滤除开关频率附近的高次谐波，但是实现比较复杂，跟随误差较大，响应较慢。

2.3 基于定时比较的控制技术

为了克服滞环电流控制频率不固定的缺点，定时比较控制器被提出，用一个由时钟控制的比较器代替置换比较器，每个时钟周期对Δic判断一次，使PWM信号至少一个时钟周期才变化一次，器件的开关频率就被限制在时钟频率一半以内，可保护器件，定时比较控制原理图如图3所示。

图3 定时比较控制原理Fig.3 Schematic of timing comparison control strategy

该方式的缺点是补偿电流误差不固定，从波形上看就是毛刺忽大忽小，补偿效果欠佳。

2.4 基于空间矢量的控制技术

空间矢量脉宽调制SVPWM（space vector pulse width modulation）控制技术是利用逆变器空间电压矢量的切换来获得准圆形磁场，产生稳定的电磁转矩，从而在不高的开关频率下获得较好性能的控制技术［8，9］。

根据开关频率固定与否，又可将空间矢量技术分为两大类：一类是基于固定开关频率的SVPWM，即使逆变器输出的空间电压跟踪同步旋转坐标系中电流调节器输出的空间电压矢量，从而控制电流；另一类是基于滞环的空间矢量控制技术，它是利用电流偏差矢量空间分布给出最优的电压矢量切换，使电流偏差控制在环宽以内。其控制原理图如图4所示。该方法直流电压利用率高，易于数字实现，但是计算量较大，对处理器运算速度要求高。

图4 基于滞环的空间矢量控制原理Fig.4 Schematic of hysteresis space vector control strategy

有源电力滤波器的控制方法还有单周控制法，无差拍控制法，变结构控制法，模糊控制法等，各有其特点，本文不再赘述［10～12］。

3 仿真研究

为了研究有源电力滤波器的控制性能，本文在MATLAB／SIMULINK软件里搭建系统模型，进行仿真验证。系统仿真参数如表1所示。

表1 系统仿真参数Tab.1 Simulation parameters of system

检测算法采用基于瞬时无功功率理论的ip－iq检测算法，PWM控制策略分别采用滞环，三角载波和基于空间矢量滞环的控制策略。图5给出ip－iq算法检测出的畸变电流波形和3种电流控制策略下桥臂电流波形。

图5 指令电流与桥臂电流波形Fig.5 Current waveforms of order and bridge

图6 负载电流与补偿后系统侧电流Fig.6 Current waveforms of load side and compensated system side

从图5可以看出，3种PWM控制策略，电压源换流器VSC（voltage source converter）输出电流均能跟踪上指令电流的变化，其中，滞环PWM控制策略环宽设定值较大，因此电流毛刺较大，一般取电感电流10%为宜。图6给出负载电流和3种控制策略补偿后系统侧电流波形，可以看出，系统侧电流经过APF输出补偿，基本都维持正弦，这也验证了几种PWM控制策略的正确性。利用FFT模块对系统电流进行分析得知，3种控制策略的系统电流THD均在3%以下，如图7所示，5次、7次等特征谐波基本滤除，控制效果良好。

图7 3种控制策略系统电流频谱分析Fig.7 Current spectra analysis of three kinds of control strategies

为了研究3种控制方法电流跟踪误差，本文捕捉电流误差信号，并绘制极坐标图。方法为：将一个周波时间平均分布在360°平面上，绘制6个周波内电流误差信号随时间的变化情况。仿真结果分别如图8（a）～（c）所示。从结果看，三角载波PWM策略基本能将电流误差控制在5以内，而滞环PWM和滞环SVPWM的电流误差较大，并且在电流急剧变化的时候，3种控制方式电流误差均有较大尖峰，每个周波出现4次，与图8结果吻合。

图8 3种控制方式电流误差信号极坐标Fig.8 Polar graphs of current error signal of three kinds of control strategies

研究开关器件动作频率，本文仿真中采集开关管驱动信号，并作傅里叶分析，基准值选取10 k Hz，等于三角载波控制方法中载波频率。3种方法傅里叶分析结果如图9（a）～（c）所示。可以看出，滞环PWM控制方式中，开关器件动作频率在7 k Hz附近，并且频带较宽，可以设计带阻滤波器将其滤除。载波方式中，很明显，开关频率位于10 k Hz，更容易设计带阻或高通滤波器将其滤除。滞环SVPWM方式开关频率略高于滞环方式，频带更加宽范，并且低频更为均匀，可以设计高通滤波器将其滤除。

图9 3种控制方式开关驱动信号频谱分析Fig.9 Switch driving signal spectrums of three kinds of control strategies

4 实验研究

在理论分析的基础上，搭建了并联有源电力滤波器的实验平台。实验条件为：三相交流电压20 V，频率50 Hz，负载为三相不控整流阻感负载，电阻2.5Ω，电感15 m H，APF连接电感2.5 m H，直流侧电容4700μF，直流电压设定在80 V，通过PI调节。谐波检测算法采用基于瞬时无功功率理论的ip－iq检测法，电流跟踪控制采用基于三角载波的控制方法。并联APF控制系统框图如图10所示。三相负载电流、桥臂电流和直流侧电压信号经过传感器测量电路送入AD芯片进行采样，试验中，采样芯片采用AD7656，由于采用ip－iq算法，因此通过过零检测电路捕获A相电压相位用于谐波检测算法，同时该过零点作为控制系统一个周波的起点，进行数据处理和输出补偿。

图11为CCS3.3软件中采集到的电流波形，其中图11（a）为负载电流波形，图11（b）为指令电流信号，图11（c）为桥臂电流波形。可以看出，三角载波PWM策略使输出电流跟踪指令电流变化，控制效果良好。

图10 并联APF控制系统框Fig.10 System control diagram of shunt APF

图11 桥臂输出电流波形Fig.11 Current waveforms from CCS

图12为实验中捕获的负载电流和补偿后系统电流波形，从图12中看出，补偿后系统电流基本维持正弦，电能质量分析仪显示THD由23.7%降到4.7%，完全符合系统要求。

图12 实验所得负载和系统电流波形Fig.12 Current waveforms of load and system from experiment

5 结语

本文首先对电力系统谐波检测方法进行了简要的概述，接着详细叙述了当今主流的几种电流跟踪控制PWM技术，并对各自的优缺点给予了说明。在仿真分析的基础上，详细比较了滞环控制，三角载波控制和空间矢量滞环控制的特点，给出电流误差极坐标图和开关频率的比较，进而说明针对开关频率的滤波器的设计思想。最后，搭建仿真平台，分别采用ip－iq谐波检测算法和三角载波PWM控制策略进行试验分析，试验结果说明了算法的正确性和设计的合理性。

本文给出了现在工程上常用的电流PWM控制策略的分析与比较，还有一些新颖算法正逐步从实验室走向实际应用，控制算法的革新必将推动有源电力滤波器新的更快的发展。

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