基于三相四桥臂逆变器的APF混合电流控制的改进方法研究

摘要：为解决三相四线制不对称电网系统的谐波污染问题，本文通过对三相四桥臂有源电力滤波器（APF）的电路结构进行分析，证明了对三相主功率桥臂和对第四桥臂分别进行控制的可行性，并对主功率桥臂运用基于空间矢量的定时控制的瞬时值比较方法和对第四桥臂运用载波比较的方法，实现了APF对谐波电流的有效补偿。该混合电流控制方法属于定频控制的范畴，运算量小，实现简单且效果较好。仿真实验证明了该方法的正确性。

关键词：有源电力滤波器；混合电流控制；固定开关频率；电流跟踪

Abstract: to solve the three phase four wire asymmetric grid system harmonic pollution problems, this article through to the three phase four bridge arm of active power filter (APF) the circuit structure is analyzed, and the proof of three-phase main power bridge to the fourth bridge legs and arms are the feasibility of the control, and the main power bridge legs based on space vector using the timing control the instantaneous comparative method and the fourth bridge legs comparative method using carrier, realized the APF to harmonic current effective compensation. The hybrid current control methods belong to the category of decide frequency control, small burden, implementation is simple and the effect is good. Simulation results prove the validity of the proposed method.

Keywords: active power filter; Mixed current control; Fixed switching frequency; Current tracking

中图分类号：TM452 文献标识码：A文章编号：

1 引言

有源电力滤波器（APF）的被认为是电网谐波污染问题解决最好的方案之一。它首先采集电网电流进入谐波检测环节，分离出电流基波与谐波分量，然后将谐波分量作为指令电流信号送入PWM控制环节发出PWM信号来驱动四桥臂逆变器主电路产生与谐波电流方向相反的补偿电流，送入电网抵消谐波电流从而达到补偿的目的[1]。

图1 三相四桥臂APF系统电路图

目前对三相四线制APF系统的研究中，大多是基于三桥臂电容中点分离式逆变器的主电路结构。这种电路结构虽较容易实现，但直流利用率偏低，输出相电压幅值只有直流母线电压的一半，而采用四桥臂逆变器的主电路结构可以有效解决这一问题，并且针对电网三相不平衡或带不对称负载时能为零序分量提供释放通道。

对于APF补偿控制策略，典型的控制方法分为基于坐标变换的滞环方法和三维电压空间矢量方法等。其中滞环控制具有响应快、实时性好的优点，但其为不定频的控制方法，可能对主电路的开关器件造成较大的功率损耗[5][7]；三维空间矢量调制的方法具有开关频率固定，直流电压利用率高的优点，但因其算法较为复杂且运算量大，程序实现有一定的难度。本文综合上述两种策略的优点，并结合解耦控制理论[2][3]，对中线电流可以通过第四桥臂来独立补偿进行说明，在此基础上对实现主功率电路电流和中线电流的混合控制：对于三相主功率电路采用基于空间矢量的定时控制的瞬时值比较方法，相应地，第四桥臂采用能定频的载波控制方法。

2 三相四桥臂APF混合电流控制的可行性分析

三相四桥臂APF系统电路如图1所示，在APF的系统接入点处根据KCL列写系统电流方程，并考虑到理想的补偿效果是三相网侧电流补偿后为基波正序电流，其三相电流相加和为零，可以得出此时的系统电流满足式（1）：

（1）

其中，为负载侧电流，为逆变器输出电流。将APF看作一个节点，系统中线电流和逆变器第四桥臂输出电流有如下关系：

（2）

（3）

由（1）~（3）式可知，只要补偿后的网侧电流为对称的基波正序电流则中线电流亦可满足要求。事实上，电网负载一般为不对称负载，中线中必然有零序电流分量，因此对于中线零序电流也要进行单相补偿控制。

为了简化三相分析和消除相间影响，引入了空间矢量和开关函数的概念。四桥臂逆变器共有16种开关状态，每一种开关状态对应一组输出电压，相应的空间电压矢量分布为坐标系中空间六棱柱排列，其坐标变换式如下：

（4）

由于第四桥臂的输出使空间变换多出了分量，亦使电压空间矢量的分布由平面正六边形抬升成空间正六棱柱。通过对输出电压在坐标下值的计算可以发现，第四桥臂的开关函数取值对输出电压的分量没有影响，仅对分量有影响，即只影响三相输出的零序分量[2]。所以，对四桥臂APF的控制可以分解为对三相主功率电流的控制与中线电流分别控制。

3 三相四桥臂APF混合电流控制方法

3.1 基于空间矢量的定时控制的瞬时值比较方法

APF的主电路结构为电压源型逆变器，维持其直流侧电容为恒定值。电路如图1所示，可以得到三相电路的瞬时值方程：

（5）

其中，，分别为逆变器三相输出电压电流，为三相网侧电压。同样的，将方程组（5）变换为平面的矢量方程为：

（6）

APF的控制思路为调整输出电流矢量使之尽可能精确的跟踪指令电流矢量。于是，可以利用反馈的思想，控制电流的跟踪误差，达到补偿目的。利用式（6）在输出电流等于指令电流时的情况与实际情况做差，并忽略交流侧电阻，得到：

（7）

通过式（7）看到，由谐波检测环节得到的各相指令电流，推算出产生此电流逆变器需要输出的电压，再结合补偿误差电流，在平面进行矢量运算，通过每一时刻、的状态确定合适的逆变器电压输出矢量，使跟踪误差尽可能小。

图2 输出电压与误差电流空间分布图

APF主功率桥臂8种开关状态的输出电压矢量在空间成6个三角形组成的正六边形，如图2。将这6个三角形区域编号为扇区I~VI，则也必然在落在某一扇区中。其具置的判断，根据其在矢量坐标系的分量位置关系如表1所示。对于状态的判断，当忽略交流侧电阻，即逆变器在纯电感特性下运行时，比滞后。所以在图2中，将顺时针旋转可以得到的位置区域，故也分为六个区域，记作①~⑥，具体判断规则如表2。

表1 指令电压矢量位置判断条件

表2 指令电流矢量位置判断条件表

、的状态确定后，按照式（7）对电压输出矢量进行选取的规则[4]如下：

①矢量的模值要尽可能小。

②矢量的方向要与的方向相反。

根据选取规则，并结合、位置，得到电压输出矢量选择表3。通过此表对逆变器主功率桥臂进行控制。

表3 输出矢量的选择判据表

在程序实现此算法时，由于采用定时器中断的方式定时采样并计算得出，并将其转换成平面矢量参与输出矢量的判断以引起开关管动作，所以开关管的开关频率是固定的。定频的最大优点在于有效的减小开关器件的开关损耗，使其能工作在大功率的场合。

3.2 第四桥臂的三角载波跟踪控制

由于中线的存在为零序电流提供了通路，故对第四桥臂需要增加一个负载零序电流跟踪控制电路。为了实现开关管开关频率的固定，采用三角载波控制方法，即APF输出的中线补偿电流与实际中线电流的误差经PI环节处理后与三角载波进行比较，产生相应的PWM脉冲作用于第四桥臂开关管。控制原理图如图3。其中，PI系数决定了三角载波控制的暂态响应和稳态误差，它的确定如式（8）所示：

（8）

其中，L为APF主电路侧向系统侧看到的等效电感；为三角载波频率；为逆变器直流侧电压。

图3 三角载波控制方法示意图

4 APF混合电流控制方法的仿真实验

4.1 仿真模型的建立

为了验证上述控制方法的可行性，本文按照图1的系统结构，采用MATLAB/ Simulink模块搭建系统模型进行仿真。系统模型为电网中接三相桥不可控整流电路，A相再接一个单相桥整流电路构成不对称负载。三相电源相电压为工频220V，逆变器直流侧电压800V，三相主功率桥臂和第四桥臂的三角载波频率均为10kHz，APF的交流侧电感为0.0012H。系统模型仿真图如图4所示。

图4APF系统仿真模型

4.2 仿真结果及分析

补偿前三相及中线电流波形如图6所示，电网电流畸变率THD三相为23.61%，中线电流值很大，接近50A；补偿后的电流波形如图7所示，三相电流的波形为正弦波形且中线电流基本补偿为零，对A相电流波形进行FFT频域分析如图7所示，谐波分量基本得到补偿，电网电流THD值下降到3.21%。补偿后符合国家制订的关于电能质量和公用电网谐波限制的标准。结合图6，看到由于APF与电网相互影响，逆变器中线电流的输出能力不可避免的受到三相主功率桥臂开关的影响，中线电流值在0值附近产生波动，但补偿后中线电流波形也有很大的改善，验证了控制方法的可行性。

图5补偿前的三相及中线电流波形

图6补偿后三相及中线电流波形

图7 补偿后A相波形的FFT频谱分析

5 结论

本文在解耦控制策略的基础上，提出了基于空间矢量的定时控制的瞬时值比较与载波调制相结合的控制策略，并将其应用在四桥臂逆变器主电路的APF系统的控制上。该方法的优点在于易于实现且补偿效果良好，并且使逆变器开关管的通断控制在一定频率范围内，有助于减小其开关损耗。仿真实验证明了此控制方法的正确性。

参考文献

[1] 姜齐荣,赵东元,陈建业.有源电力滤波 器――结构・原理・控制[M].北京：科学出版社，2005.

[2] 孙驰,鲁军勇,马伟明.一种新的三相四桥臂逆变器控制方法[J].电工技术学报,2007，22(2)：57-63.

[3] 刘秀,张光化,陈宏志.四桥臂逆变器中第四桥臂的控制策略[J].中国电机工程学报，2007,27(33):89-94.

[4] 张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社,2005.

[5] 郭自勇,周有庆,刘宏超等.一种基于电 压空间矢量的有源滤波器滞环电流控制新方法[J].中国电机工程学报,2007,27(1):112-117.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。