/安徽送变电工程公司 朱富 安徽送变电工程公司 孙志强 国网驻马店供电公司 张魏盼 兰州工业学院 李晓青/

电力有源滤波器开关控制策略

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介绍了有源滤波器的补偿原理，并对两种开关控制方法进行了阐述，对传统滞环方法进行了改进，通过仿真和试验验证了滤波器滤波效果的良好性以及开关策略的正确性。

有源滤波器 开关控制 滞环控制

0 引言

随着电力电子技术的发展，越来越多的非线性负载应用到了现实生活中，便民的同时，由此导致的谐波和无功对电网污染也受到了相应的关注。有源滤波器由于其良好的谐波抑制和无功补偿功能而得到广泛应用。相对于传统的无源滤波器而言它可以动态实时对电网谐波和无功电流进行检测并进行补偿，从而达到净化电网的目的。通常将无源滤波器和有源滤波器相结合使用，无源滤波器滤除主要谐波和无功电流，无源滤波器没补偿的部分由有源滤波器完成，这样就可以减小设备容量，降低成本[1]。许多新提的开关控制策略尽管能提高补偿效果，但它们方法复杂且多以牺牲实时性为前提，在控制器以及开关性能大大提高的环境下，特别是先进的DSP技术以及IPM器件的应用，使经过改进的传统开关控制方法更有应用价值。滞环控制和三角载波控制是用的较多的控制方法，论文主要对这两种方法进行阐述，并对滞环控制方法提出了改进。

1 拓扑结构

三相三线制有源滤波器针对三相三线制负荷，其拓扑结构如图1所示，该类型有源滤波器属于并联型，通过和电网并联来改善电流质量，它的工作原理和逆变器相同。T1～T6为有源滤波器的开关，其状态取0表示关断，取1表示打开。

图1 三相有源滤波器拓扑结构

以b点为参考点，图1可以等效为图2。

图2 三相有源滤波器等效电路

用u1、u2分别表示ab，bc间的电压，它们与开关状态的关系如式（1）所示，Sa、Sb、Sc表示各相桥臂的开关状态，取1表示上桥臂打开，取0表示下桥臂打开。

由图1得式2.2：

其中：

式（3）表明了有源滤波器的每相输出既有独立性又有关联性[2]。可将图2模型解耦为图3，这样就可以单独对各相进行设计。

图3 有源滤波器解耦原理图

实际应用中，处理器对电源电压、负载电流采集，通过检测算法完成谐波和无功电流的提取，将其取反后作为指令电流，根据指令电流由控制电路产生PWM信号驱动桥臂开关，使逆变器产生跟随指令电流大小的补偿电流。直流侧电容为三相桥电路提供能量，它的电压值必须稳定在一个设定值附近设备才能正常工作，一般来说，在电容耐压范围内，直流侧电压值越高，补偿效果也会越好，有源滤波器的输出通过电感和电网连接，这样可以将逆变器的输出电压转化为电流，方便控制，电感的取值要合适，过大则容易使补偿电流跟不上指令电流的变化，造成补偿滞后，过小则容易向电网引入高次谐波。桥电路的开关器件通常采用IGBT，开关动作频率越高，补偿效果就越好，但开关频率和开关器件的容量往往相矛盾。图4为系统原理图。

图4 系统原理图

2 三角波比较控制策略

三角波比较方法将指令电流i※和实际补偿电流i进行比较后经过放大器进行放大，放大后的信号再与三角波进行比较产生PWM控制脉冲，进行控制时，i※和i的差小于给定的三角波值时，则通过开关控制减小补偿电流；两者差大于三角波值，增大补偿电流，这样就可以使逆变电流很好的跟踪指令电流。放大器A用的较多的是比例积分放大器。三角波比较法在开关动作频率低时会产生较大误差，PI参数不易调节，而且该方法的硬件电路较为复杂[3]。图5为三角波比较控制原理图。

图5 三角波控制原理图

3 滞环比较控制策略

此方法将检测出的指令电流和逆变电流比较后，通过设定一定的环宽产生PWM信号，环宽大时，开关频率低，补偿精度差，环宽小时，补偿精度高，相应的开关频率会变的很高，这样就对开关的性能有了更高的要求。滞环方法实现简单，且跟随速度快，缺点是由于环宽的限制，导致开关频率不定，对滤波电路的设计带来了诸多不便[4-5]，设计采用定时滞环的方法很好的解决了这一问题。图6为定时滞环控制原理图。

图6 定时滞环控制原理图

4 MATLAB仿真

根据有源滤波器拓扑结构建了仿真模型，如图7所示，直流侧电压设置为2100V。图8为滞环控制部分模型，图9为补偿后的电源侧电流波形，由图可以看出补偿效果良好，但由于环宽的存在，滤波器存在误差。

设计只考虑了负载的三相不平衡，假设三相电源为理想电源，仿真通过滞环开关控制策略对各个桥臂进行控制。

图7 有源滤波器仿真模型

图8 滞环控制模型

图9 补偿后的电源电流波形

5 试验验证

为了验证所述开关控制策略的正确性，在此搭建实验平台，三相交流电源电压取100V，直流电压120V，直流电容取1650μF，电源侧三个滤波电感4.5mH， DSP定时频率25.6kHz,滞环环宽取0.2A，设计采用型号PS21865—P的IPM模块作为逆变桥。非线性负载用阻感负载和二极管的并联。电力有源滤波器若要很好的完成补偿功能，必须以高精度、高实时性为前提，因此设计采用数据处理速度快且精度高的DSP28335芯片来计算和控制，主程序采用定时器中断的方法，在定时中断中将各个参数的采样值从DSP对应的寄存器中读取出来，定时器的频率即为采样频率，并在中断中根据检测算法计算指令电流，并由滞环控制产生脉冲，用DSP的一个I/O口，经过逻辑电路后产生一对相反的脉冲信号控制桥电路的一个桥臂，为了防止同一桥臂的两个IGBT同时导通产生过电流，通常还要添加死区电路进行保护。图10和图11分别为补偿前和补偿后电源侧A相电流波形图。由图可知补偿效果良好。

图10 补偿前电源侧A相电流

图11 补偿后电源侧A相电流

图12 逆变电流与开关变化关系

为了便于观察逆变电流与开关变化的关系，在此通过示波器对其中一相的逆变电流和对应桥臂的开关状态进行观察，由图12可以看出，采用论文所述的开关控制方法，补偿电流可以很好的跟踪开关的变化。

6 结束语

滞环和三角波比较是两种基本的控制方法，滞环方法简单且易于实现，跟踪速度快且误差是固定的，但该方法会由于开关频率不稳定造成开关发热甚至烧毁，鉴于此，在实际设计中采用定时滞环方法，通过仿真和实验验证了所述方法的正确性，设计从提高补偿精度、降低开关频率，同时便于工程实现的角度出发，对电力滤波器原理和开关控制方法进行了分析和实际验证，本文对整流逆变装置的开关控制设计有很好的借鉴意义。

[1] 王兆安,杨君,刘进君,等.谐波抑制与无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社,2005：12-55.

[2] 董海燕.PWM变流器设计与实验研究[D].兰州：兰州交通大学, 2012：21-23.

[3] 赵伟.电气化铁道综合补偿装置中的检测与控制技术研究[D].兰州：兰州交通大学,2012：19-21.

[4] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].第三版.北京：机械工业出版社, 2003：154-155.

[5] 沈龙大,朱兆年,许遐.电网高次谐波有源抑制装置的工业应用[J].电气传动,1993,23(5)：39-47.