一種新型恒頻滯環電流控制策略研究

摘要 并聯型有源電力濾波器的變環寬滯環電流控制方法是根據電流幅值的變化適時調整滯環寬度，可有效保證濾波器的補償性能，控制開關器件的開關頻率。在傳統的變環寬滯環電流控制算法的基礎上，加入了電流限幅和頻率PI反饋控制環節，限制了較大電流的波動，提高了頻率的控制精度，以及有源電力濾波器的電流補償性能。Matlah仿真結果表明，采用新型恒頻滯環電流控制算法進行電流跟蹤補償時，系統的電流總畸變率小于采用傳統變環寬滯環電流控制算法時的總諧波畸變率。

關鍵詞 有源電力濾波器;諧波;變環寬;滯環電流控制

有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置。作為能有效解決一系列電能質量問題的裝置，而倍受關注。其中電流控制技術是 APF性能優劣的關鍵。目前采用的電流控制方法主要有三角波電流控制、滯環電流控制及空間矢量控制等，其中滯環電流跟蹤控制方法簡單易行、實時性好，可實現對電流的快速跟蹤控制，受負載參數變化影響較小，魯棒性好等優點;其缺點是輸出電壓中的諧波分量不含特定頻率諧波，開關頻率不固定有時甚至很高，從而帶來開關噪聲及損耗加大等問題。有的學者提出通過模糊控制來適時調整滯環寬度，保留了滯環電流控制的優點，也在一定程度上克服了開關頻率不固定、損耗大等缺點。但模糊控制對控制系統的優化調整存在一定困難。

本文提出在變環寬滯環電流控制方法的基礎上加入一個限幅環節和頻率反饋PI控制環節，既保留了其優點，又增大了抗干擾能力、提高了對參考電流的跟蹤精度，有效增強了有源電力濾波器的性能。

1 電流滯環控制方案

1.1 APF主電路拓撲結構

圖1所示為最基本的有源電力濾波器系統結構的原理圖。

傳統的電流滯環控制有源電力濾波器原理如圖1所示。系統由諧波電流檢測電路、電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路構成。電流跟蹤控制大多數采用滯環電流控制策略，控制策略的好壞直接影響到APF的工作性能，本文對固定環寬滯環電流控制、變環寬滯環電流控制和改進型恒頻變環寬滯環電流控制3種方案進行分析。

1.2 定環寬滯環電流控制方法

圖2所示為采用定環寬滯環比較器的瞬時值比較方式的原理圖。

在該方式中，將補償電流的指令信號與實際的補償電流信號ic進行比較，兩者差值作為滯環比較器的輸入，通過滯環比較器產生控制主電路中開關通斷的PWM信號，該PWM信號經驅動電路來控制開關的通斷，從而控制補償電流ic的變化。用H表示滯環比較器的環寬，當-H≤≤H時，滯環比較器的輸出保持不變;而當||>H時，滯環比較器的輸出發生翻轉，假設后面的驅動電路和主電路無延時，則補償電流ic的變化方向隨之改變。

在該控制方式中，滯環的寬度H對補償電流的跟隨性能有較大影響。當H較大時，開關通斷的頻率即電力半導體器件的開關頻率較低，故對電力半導體器件的要求不高，但跟蹤誤差較大，補償電流中高次諧波較大。反之，當H較小時，雖跟隨誤差小，但開關頻率較高，增大了開關器件的損耗，也減少了設備的使用壽命。在保證補償精度的前提下，盡可能減小器件開關頻率尤為重要。

圖3所示為滯環電流控制電流電壓波形圖，其中，為參考諧波電流;ic為實際補償電流;分別為實際補償諧波電流的上升和下降階段;ton、toff分別為對應的上升階段時間和下降時間，Udc為直流側電容兩端的電壓，HR為滯環的環寬。由于APF三相相互獨立，任何一相不受其他兩相干擾。任一相電源電壓瞬時值方程為

式(1)中，L為輸出電感;k為開關系數;e為電源相電壓;i為逆變器輸出補償電流。

以C相為例，由圖3可看出，補償電流ic隨參考諧波電上下波形，上升階段下降階段交替。當ic處于上升階段ton即時間段內

式(9)表明滯環寬度取決于輸出電感L、電源相電壓e、功率器件開關頻率fc、參考諧波電流及直流側電壓Udc。其中e、L、Udc為定值，fc設定為期望頻率，則HB隨的變化量的變化而變化，由于將fc設定為期望頻率，根據上式能夠實時計算出滯環的寬度，通過合理的實時調整滯環的寬度來控制功率器件的恒定開關頻率。此控制方法的原理如圖4所示。

1.3 變環寬滯環電流控制方法的改進

變環寬滯環電流控制方法雖然在一定程度上能改善控制效果，但在仿真實驗中發現實際的開關頻率并不能較好地跟隨期望頻率。比如將逆變器開關頻率設定為15 kHz時，實際的開關頻率平均值只有13 kHz，不能準確地跟隨設定值，并有較大的電流波動產生，補償性能還有一定的提升空間。因此，在變環寬滯環電流控制的基礎上對指令電流計算和滯環寬度計算環節進行改進。如圖6所示，對指令電流加入一個限幅環節，此環節用來限制在開關投切等動作時可能出現的較大電流波動;對滯環寬度計算環節加入一個頻率反饋 PI調節環節，整個頻率控制環節實現閉環控制，使逆變器的實際開關頻率更接近設定頻率，從而提高電流控制方法的跟蹤精度，提升有源電力濾波器裝置治理諧波的性能。

2 Matlab仿真分析

利用Matlab軟件，構建三相獨立組合式并聯型APF的仿真模型。仿真模型參數設定為：相電壓為220 V的工頻交流電，濾波電感L為5.3 mH，直流側電壓為400 V，非線性負載為三相橋式不可控整流電路，負載電阻為47 Ω，負載電感為5 mH，采用恒頻變環寬滯環電流控制方法時逆變器的開關頻率為15 kHz。

對三相獨立組合式電壓型脈寬調制APF分別采用定環寬滯環電流控制、變環寬滯環電流控制和改進型恒頻變環寬滯環電流控制3種不同的控制策略進行仿真分析，如圖8所示，圖中THD表示總諧波畸變率。

分析仿真結果可知：同一系統，相同電路參數的情況下，采用傳統固定環寬滯環、變環寬滯環及本文提出的新型恒頻變環寬滯環電流控制方法的電流THD分別為 3.35%、1.91%和1.56%，從仿真結果可以看出采用新型恒頻變環寬滯環電流控制策略的補償精度顯著提高，補償效果比傳統的固定環寬滯環電流控制更加理想，證明了該改進控制算法的有效性。

3 結束語

文中提出了一種新的恒頻變環寬滯環電流控制算法。該算法在傳統變環寬滯環電流控制算法的基礎上加入了限幅環節和頻率PI反饋控制環節，開關頻率控制環節實現了閉環控制，使逆變器的實際開關頻率更加接近設定值，從而使補償性能得到提升。通過仿真證實采用該算法得到的系統總諧波畸變率明顯低于傳統算法，提高了有源電力濾波器的工作性能。