有源电力滤波器滞环空间矢量控制新方法

王 维，李 岚

（太原理工大学 电气与动力工程学院，山西 太原030024）

随着非线性负载的大量使用，电网的谐波问题已经成为了电能质量的主要问题之一.作为治理谐波的有效手段［1-2］，有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）得到了快速的发展.在有源电力滤波器控制中，谐波电流的跟踪控制至关重要.较成熟的控制方法主要有：空间矢量脉宽调制（SVPWM）和滞环控制.其中空间矢量控制开关频率固定，但是响应速度较慢；滞环控制响应速度快，容易实现，但开关频率波动剧烈.滞环空间矢量控制方法包含了二者的优点，引起了人们广泛的研究.

文献［3］提出最优电压空间矢量的控制方法，该方法有效降低了开关管的开关频率，但响应速度受大量复杂运算过程的影响.文献［4-8］采用双滞环空间矢量控制方法，对系统处于暂态与稳态分别作了研究，但控制模块过于繁琐.文献［9-10］提出一种多阶滞环空间矢量控制方法，并将其应用于PWM整流器控制中，简化了控制模块，取得良好控制效果的同时，响应速度快且有效降低了开关频率.由于有源滤波器指令电流的无规律性，直接采用该控制方法时，存在跟踪松弛的现象.文献［11］在并网逆变器的控制中提出了滞环与滞环空间矢量相结合的控制方法，并且取得较好的实验结果.

本文分析了有源电力滤波器的矢量控制原理，提出了滞环与多阶滞环空间矢量控制结合的控制方法.根据误差电流模值的大小，采用滞环与多阶滞环空间矢量的分段控制，当误差电流模值较大时采用滞环控制，较小时采用多阶滞环空间矢量控制.该方法弥补了采用多阶滞环空间矢量控制时出现跟踪松弛的问题，保留了开关频率低的优点.通过仿真与试验验证了该控制方法的正确性.

1 有源滤波器的矢量控制原理

并联型有源电力滤波器的等值电路如图1所示［6］.图中3个理想开关代替有源滤波器中的开关器件IGBT，e为电网电动势矢量，u为有源滤波器输出的电压矢量，Udc表示直流侧的恒定电容电压.

图1 APF等值电路 Fig.1 Equivalent circuit diagram of APF

图1中三相电路在abc坐标下的瞬时值方程为

式中：所有电压均以系统中性点N为参考点.

引入开关函数Sa，Sb，Sc，有源滤波器输出相电压为

由式（2）可以看出三相桥臂之间是相互影响的.将abc坐标转化到静止坐标系α-β下，即采用空间矢量，可以消除关联.两坐标系有如下关系

式中：f可为电压或电流.

对应开关函数Sa，Sb，Sc组合从（0，0，0）到（1，1，1）的8种开关模式，有源滤波器输出的相电压空间矢量可表示为

由式（4）可知，有源滤波器输出6个非零矢量（u1-u6）和两个零矢量（u00，u10），如表1所示.

表1 开关状态与APF输出电压空间矢量 Tab.1 Relation between switching modes and output voltage space vectors of APF

由式（1）可得APF输出端电压矢量方程式

定义矢量δ为参考电流矢量i＊C与实际补偿电流矢量iC之差，即

结合式（5），并忽略电阻R的影响，可得

定义等式右边括号中的项为参考电压u＊，即

则式（7）简化为

式（9）说明，对于给定的具有零误差电流响应的参考电压矢量u＊，可以选择合适的空间矢量uk，以控制误差电流矢量的变化率dδ／d t，从而控制δ.

2 分段控制思想

分段控制的主体思想为选定一个误差电流阈值|Δi|，当误差电流大于|Δi|时，采用鲁棒性强的滞环控制；当误差电流小于|Δi|时，采用开关频率小的多阶滞环空间矢量控制.

2.1 滞环控制

滞环控制是将误差电流Δiα，Δiβ分别送入滞环比较器中，与上下环宽作对比，当误差电流大于上环宽或者小于下环宽时，通过调节开关管的开断，将误差电流限制在环宽内.滞环控制鲁棒性强，可快速地跟踪指令电流.

2.2 多阶滞环空间矢量

由表1可知，有源滤波器输出电压对应的α，β轴分量分别有4个和3个非零矢量.对α，β轴分别采用四阶和三阶滞环比较器，APF输出电压空间矢量及分割方法如图2所示，系统原理图如图3所示.

图2 APF输出电压空间矢量 Fig.2 Space-vector of APF output voltage

图3 多级滞环空间矢量原理图 Fig.3 Multilevel hysteresis space-vector schematic diagram

滞环比较器环宽的选择是由电流控制精度的需求决定的，较小的滞环宽度会得到较高的控制精度，但会导致开关频率变大，滞环宽度大则会出现相反的结果.因此在控制过程中要权衡控制精度与开关频率的关系以及系统其他参数的影响.通过仿真和实验，可以找到与控制精度和开关频率相权衡的滞环宽度.将误差电流的α，β轴分量分别输入对应的滞环比较器中，根据比较器的输出结果选择最优电压空间矢量，选择逻辑如表2所示.

表2 电压矢量选择表 Tab.2 Voltage vector selection table

通过零矢量的合理应用减小开关频率.例如当前电压矢量为u1，u3或u5，当需要切换为0状态时选择u00，此时只需改变一个开关状态.同理当前电压矢量为u2，u4或u6，当需要切换为0状态时选择u10.

2.3 分段控制

在多阶滞环空间矢量控制中，每个基本周期里α，β的各相比较器都处在特定的滞环宽度循环中，同时也就决定了参考电压矢量u＊所在的位置［9-10］.例如当误差电流的模值较小时，参考电压矢量u＊在图2所示的扇区V中，则相应的Sα取值为1或2，Sβ取值为0或1，此时可选择对应L·dΔi／d t模值较小的电压矢量u5和u6或者电压矢量0的矢量u00，u10，跟踪指令电流且利于减小开关频率；当误差电流的模值较大时，滞环空间矢量跟踪反应较慢，会出现跟踪较慢，跟踪松弛，电流畸变率（THD）增大的现象，此时利用滞环的快速响应特性，实现电流的快速跟踪.分段控制框图如图4所示.

图4 分段控制 Fig.4 Segment control

3 仿真结果与分析

在Matlab环境下搭建APF仿真模型，对滞环与多阶滞环空间矢量分段控制方法的可行性进行仿真验证，并与只采用多阶滞环空间矢量控制方法的结果进行对比分析.仿真参数如下：电源线电压为380 V，电网频率为50 Hz；直流侧电压稳定为900 V；系统阻抗忽略不计；以三相不可控整流桥带阻感负载为谐波源，其中电阻为8Ω，电感4 m H；直流侧电容为0.002 3 F.

由仿真波形图5可知，采用多阶滞环空间矢量控制时，电源侧的电流波形出现明显的跟踪松弛现象，THD下降到7.25%，不满足要求；采用滞环与多阶滞环空间矢量的分段控制方法，THD下降到2.11%，良好地补偿了谐波电流.因此，采用本文所述的分段控制方法后电流质量好于采用多阶滞环空间矢量控制方法.

图5 仿真波形 Fig.5 Simulation waveform

4 试验结果与分析

为了进一步验证提出的滞环空间矢量控制新方法的正确性，在实验平台上搭建APF系统.采用TI公司的TMS320F28335和三菱公司的智能功率模块PM25RSK120.实验参数如下：电源线电压为110 V，直流侧电压为给定为350 V，以三相不可控整流桥带阻感负载为谐波源，其余参数与仿真相同.基于滞环与多阶滞环空间矢量分段控制方法的有源电力滤波器实验波形如图6所示.

图6 实验波形 Fig.6 Experiment waveform

由实验波形可知，补偿之前负载电流的畸变率为20.36%，采用分段控制方法补偿后，电流畸变率下降为8.28%，补偿了电流谐波.分段控制有较低的开关频率，开关管的平均开关频率约为1.9 k Hz.

5 结 论

本文针对电网的谐波问题，提出了有源电力滤波器滞环与多阶滞环空间矢量分段控制新方法.该方法提高了电流跟踪性能，有效地抑制了电网电流畸变，降低了开关频率，改善了电能质量，同时该方法简单便于实现.仿真与试验都验证了该方法的正确性与优越性.

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