1 引言
有源電力濾波器作為一種動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的電力電子裝置，它能對(duì)頻率和幅值大小都變化的諧波和無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，而有源電力濾波器的性能又很大程度上取決于對(duì)畸變電流的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確檢測(cè)和逆變器輸出電流的控制策略。在最近幾年提出了許多控制方法，如三角波調(diào)制[1]、滯環(huán)控制、無(wú)差拍控制[2]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等控制方法。然而，大多數(shù)控制方法需要檢測(cè)負(fù)荷電流，然后計(jì)算諧波和無(wú)功分量，以提供電流參考值進(jìn)行補(bǔ)償。而且，控制環(huán)本身也一般需要高精度的模擬乘法器，高速數(shù)字微處理器和高性能a/d轉(zhuǎn)換器，使它們可以進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)的計(jì)算。但這樣就使得電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)成本增高，可靠性降低。
文獻(xiàn)[3]中引入了一種新的控制技術(shù)—單周控制，在單周控制技術(shù)中由于不需要乘法器和電壓傳感器，從而簡(jiǎn)化了apf的工作原理和結(jié)構(gòu)，因此控制結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，可靠性更高，魯棒性更好。在本文中，引入了在此理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的通用常頻積分控制，即單周控制矢量模式。而且，初步應(yīng)用證明該濾波器對(duì)變頻器等負(fù)載引起的諧波污染有較好的抑制效果。該控制方法控制的apf具有以下特點(diǎn):
（1) 通過(guò)可復(fù)位積分器和一些邏輯器件及線性元件組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，可得到三相單位功率因數(shù)和較低的thd值;
（2) 不需要檢測(cè)負(fù)載電流和apf的接入電感電流，僅三相電源電流和電源電壓過(guò)零點(diǎn)被檢測(cè);
（3) 不需要計(jì)算apf的接入電感電流的參考值，從而可以省去復(fù)雜的數(shù)字計(jì)算;
（4) 開(kāi)關(guān)頻率恒定，因此適用于工業(yè)應(yīng)用;
（5) 不需要乘法器;
（6) 對(duì)于三相橋式變換器，僅兩對(duì)開(kāi)關(guān)運(yùn)行于高頻工作狀態(tài)，因而減少了開(kāi)關(guān)損耗;
（7) 該控制器對(duì)負(fù)載的依賴性不強(qiáng)，可以適用于不同的負(fù)載。

2 通用常頻積分控制的apf的矢量模式原理分析

圖1 三相三線制通用常頻積分控制的apf

表1 occ-apf的矢量模式的轉(zhuǎn)換機(jī)理

圖1所示是一個(gè)三相三線制通用常頻積分控制的apf，它的主電路是一個(gè)三橋臂變流器，與負(fù)載并聯(lián)接入電網(wǎng)。直流側(cè)電壓e由一個(gè)電容實(shí)現(xiàn)，該電容是直流側(cè)負(fù)載的能量?jī)?chǔ)存單元。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)電路參數(shù)使逆變器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式(ccm)。因?yàn)槟芰吭诮涣麟娫春蚢pf直流側(cè)電容間雙向流動(dòng)，故逆變器工作在四象限狀態(tài)。三個(gè)橋臂的每一對(duì)開(kāi)關(guān)互補(bǔ)，例如sap，san的占空比分別為1-dan和dan。其控制電路包含一個(gè)單周控制電路，一些矢量運(yùn)算邏輯和直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)等單元。
occ-apf的控制目標(biāo)就是控制三相電源電壓與電流滿足方程(1)，即三相電源電流為與三相電壓同相的正弦波，以獲得單位功率因數(shù)和較低的thd。

(1)

圖2 三相電源電壓波形
三相電源電壓波形如圖2所示。在occ-apf的矢量模式中，一個(gè)電源周期被劃分為6個(gè)區(qū)域。在每個(gè)矢量區(qū)域僅需控制兩相開(kāi)關(guān)的占空比，另外一相保持導(dǎo)通或關(guān)斷，即僅兩相開(kāi)關(guān)工作在較高的開(kāi)關(guān)頻率。因而對(duì)于整個(gè)電路，有源電力濾波器的矢量模式相對(duì)于其它控制方式減小了開(kāi)關(guān)損耗。在電源周期的每60°區(qū)域，各矢量控制信號(hào)轉(zhuǎn)換到下一個(gè)新的區(qū)域中的控制信號(hào)。整個(gè)區(qū)域(0°～360°)的控制方程[4]如方程(2)所示。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的占空比使之滿足控制方程(2)，就能實(shí)現(xiàn)三相的單位功率因數(shù)，方程(2)可用基于單周控制的通用常頻積分控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(2)
其中，

rs是電流感應(yīng)電阻; re是負(fù)載的等效電阻;
dp，dn，dt表示開(kāi)關(guān)的占空比;
電流ip，in表示任意兩相的電流。
dp，dn，dt和ip，in在每60°區(qū)間相對(duì)應(yīng)的值如表1所示。可見(jiàn)這種控制方法在每工頻周期1/6周期即60°旋轉(zhuǎn)它的參數(shù)一次，這和pwm的矢量控制類似，故此種方法稱為通用常頻積分控制apf的矢量模式。由方程(1)可以看出這種控制方式僅兩對(duì)開(kāi)關(guān)運(yùn)行在開(kāi)關(guān)頻率，另外一對(duì)開(kāi)關(guān)保持常通或者常斷。這樣相對(duì)于文獻(xiàn)[3]的控制方式減小了運(yùn)行在開(kāi)關(guān)頻率的開(kāi)關(guān)個(gè)數(shù)，從而使開(kāi)關(guān)損耗減小。
occ-apf的矢量模式的轉(zhuǎn)換機(jī)理如表1所示。
基于控制方程(2)構(gòu)造的三相三線制apf的控制電路包含四部分:
(1) 輸入?yún)^(qū)間選擇電路，主要用于檢測(cè)輸入電壓矢量處于哪個(gè)區(qū)域。它根據(jù)電壓va、vb、vc將一個(gè)電源周期分為6個(gè)區(qū)域，通過(guò)一個(gè)多路選擇電路從三相電流(ia、ib、ic)中選擇矢量電流ip、in，我們假設(shè):

(3)

圖3 三相電壓空間向量
由此可得到各區(qū)域的空間向量如圖3所示，根據(jù)圖3所示矢量來(lái)選擇輸入?yún)^(qū)間;
(2) 輸入電流選擇電路，主要用于選擇輸入電源電流，以確定ip，in相對(duì)應(yīng)的值，根據(jù)第一部分判斷出三相電壓所在的區(qū)域，根據(jù)表1的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用psim中的兩個(gè)8輸入的多路復(fù)用器實(shí)現(xiàn);
(3) 單周控制電路，包含兩個(gè)加法器，兩個(gè)比較器和兩個(gè)可復(fù)位積分器，兩個(gè)觸發(fā)器，這里積分器的積分時(shí)間常數(shù)等于開(kāi)關(guān)周期;
(4) 輸出邏輯控制電路，也根據(jù)表1的對(duì)應(yīng)關(guān)系用psim中的三個(gè)8輸入的多路復(fù)用器組合實(shí)現(xiàn)，它主要用于控制主電路開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷;第五部分是直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)單元，通過(guò)設(shè)置一個(gè)參考電壓vref來(lái)調(diào)節(jié)直流電壓e使得穩(wěn)態(tài)時(shí)直流電壓保持恒定。vref和e的誤差信號(hào)通過(guò)pi調(diào)節(jié)器來(lái)得到調(diào)制信號(hào)vm;單周控制器通過(guò)觸發(fā)器產(chǎn)生開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)qp、qn。

3 通用常頻積分控制apf的矢量模式的仿真研究
為驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，用電力系統(tǒng)仿真軟件psim建立電路的模型，并針對(duì)不同的負(fù)載進(jìn)行了仿真研究。仿真電路參數(shù)選為:
三相輸入電壓線電壓的有效值為380v;
三相apf的接入電感為1.5mh;
直流側(cè)電容電壓通過(guò)積分補(bǔ)償器調(diào)節(jié)到950v。
其中ila、ilb、ilc分別表示三相負(fù)載電流; isa*、isb*、isc*分別表示三相電網(wǎng)電流。負(fù)載分別選取為:
(1) 負(fù)載為三相整流橋平衡負(fù)載:a、b、c分別接三相二極管整流橋負(fù)載(三相整流橋帶有電感性負(fù)載，r=23ω，l＝15mh)。圖4為仿真所得到的三相負(fù)載電流及補(bǔ)償后的三相電網(wǎng)輸入電流波形。
(2) 負(fù)載為三相不平衡整流橋負(fù)載:
a、b、c三相接二極管整流橋負(fù)載(三相整流橋帶有電感性負(fù)載，r=23ω，l=15mh)，同時(shí)b相和a相還接有一個(gè)單相整流橋(r=20ω)。圖5為仿真所得到的三相負(fù)載電流及補(bǔ)償后的三相電網(wǎng)輸入電流波形。
(3)負(fù)載為余弦交點(diǎn)法觸發(fā)的交交變頻器，交交變頻器的頻率為10hz，且?guī)в胸?fù)載(r=10ω，l＝10mh)。圖6為一個(gè)負(fù)載電流周期中仿真所得到的三相負(fù)載電流、補(bǔ)償后的三相電網(wǎng)輸入電流波形。

圖4 實(shí)驗(yàn)1得到的三相負(fù)載電流及補(bǔ)償后三相電網(wǎng)電流波形

圖5 實(shí)驗(yàn)2得到的三相負(fù)載電流及補(bǔ)償后三相電網(wǎng)電流波形

圖6 實(shí)驗(yàn)3得到的三相負(fù)載電流及補(bǔ)償后三相電網(wǎng)電流波形
從圖4、圖5和圖6可以看出，通用常頻積分控制的三相有源濾波器能有效補(bǔ)償非線性負(fù)載所帶來(lái)的系統(tǒng)諧波、無(wú)功和零序電流，實(shí)驗(yàn)１補(bǔ)償后電源電流的畸變率為2.9%，實(shí)驗(yàn)2補(bǔ)償后電源電流的畸變率為3.0%，實(shí)驗(yàn)3補(bǔ)償后電源電流的畸變率為3.7%,可見(jiàn)，該有源濾波器具有較好的補(bǔ)償效果，且相應(yīng)地減少了開(kāi)關(guān)損耗。另外，從實(shí)驗(yàn)3可以看出通用常頻積分控制apf對(duì)于交交變頻器類負(fù)載(即負(fù)載電流波形的頻率與電網(wǎng)頻率不一致，導(dǎo)致負(fù)載電流周期與電網(wǎng)電流周期不一致)也具有較好的補(bǔ)償效果。

4 結(jié)束語(yǔ)
單周控制矢量模式的有源電力濾波器，具有開(kāi)關(guān)頻率恒定、易實(shí)現(xiàn)、降低開(kāi)關(guān)損耗、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，它不需要檢測(cè)負(fù)載電流和有源濾波器的接入電感電流，只需檢測(cè)電源電流和電源電壓過(guò)零點(diǎn)，而且不需計(jì)算apf電感電流的參考值，因此可以省略復(fù)雜的計(jì)算，是一門(mén)非常有發(fā)展前景的技術(shù)。本文對(duì)單周控制的apf的矢量模式進(jìn)行了理論分析，用psim軟件建立了該控制方法的電路模型。并將其應(yīng)用于不同的非線性負(fù)載進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果證明了該控制技術(shù)具有比較好的濾波效果，補(bǔ)償后三相電網(wǎng)電流的總諧波畸變率大大減小，且工作于高頻的開(kāi)關(guān)數(shù)量減少了，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗。而且它對(duì)負(fù)載的依賴性不強(qiáng)，可以適用于不同的負(fù)載。因此，對(duì)于變頻器等電力電子裝置引起的諧波污染具有較好抑制效果