有源滤波器的空间矢量控制策略仿真研究(一)

   1 引言

    近年来,由电网非线性负荷引起的谐波问题日益受到重视。而有源电力滤波器与传统的无源滤波器相比,具有可以同时实现谐波和无功动态补偿,响应快;受电网阻抗影响小,不容易与电网阻抗发生谐振;跟踪电网频率变化, 补偿性能不受电网频率变化的影响等优点。因此，采用有源滤波器（APF）抑制电流谐波成为目前研究的热点。

    2 并联有源滤波器的控制方式

    为了使有源滤波器得到理想的补偿效果，有必要对其进行适当的控制。按检测电流的不同，并联有源滤波器传统的控制方式可分为三种：①检测负载电流控制方式（图1），该控制方式中，其指令电流运算电路的输入信号来自负载电流；②检测电源电流控制方式（图2）；③将以上两种控制方式结合起来，就得到了复合控制方式（图3），这种控制方式同时检测负载电流和电源电流。图中各个方框的含义如下：

    GI(S)为指令电流运算电路的传递函数；

    GA(S)为补偿电流发生器的传递函数；

    GZ(S)为高通滤波器的传递函数；

    G(S)为改善补偿特性而加入的校正环节；

图1 检测负载电流控制方式结构图

图2 检测电源电流控制方式结构图

图3复合控制方式结构图

  图1所示控制方式为前馈控制，没有is的反馈，本身作为一个开环系统无法解决系统谐振引起的电网侧电流和公共连接点电压畸变的问题。

    图2中有源滤波器是一个闭环系统，产生谐振部分GZ(S)也包括在闭环内。因此，在控制算法中加入改善动态性能的一阶惯性-微分环节G(S)，可以抑制谐振，但该环节的引入削弱了系统稳定性，可能造成系统不稳定。

    图3所示复合控制方式，实质是在检测负载电流的前馈控制方式中增加了电网侧电流的反馈控制，成为前馈-反馈复合系统。其中，前馈控制起主导作用，反馈控制主要用于抑制高通滤波器和电网阻抗之间的谐振，提高控制精度。这种方式综合了前两种方式的优点，效果较为理想，故这里采用复合控制方式作为本文中有源滤波器的控制方式。

[page]

图4 复合控制方式原理图

    3 补偿电流发生电路

    补偿电流发生电路是实现有源电力滤波器的关键环节，它直接决定着补偿性能的好坏。目前跟踪型PWM控制方式有很多，常见的主要有滞环比较PWM技术和三角载波PWM技术等，本文主要对空间矢量控制PWM技术进行分析研究。

    ⑴     滞环比较PWM技术

    该方式把补偿电流的指令信号ic*与实际的补偿电流信号ic进行比较，两者的偏差Δic作为滞环比较器的输入。通过滞环比较产生控制主电路开关通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流ic的变化。

    该控制方式的主要特点是无需专门的电源产生载波信号，硬件电路简单；属于实时控制方式，电流响应很快；带宽固定时,开关频率会随补偿电流变化而变化，从而引起较大的脉动电流和开关噪声。

    ⑵     三角载波PWM技术

    该方式把补偿电流的指令信号ic*与实际的补偿电流信号ic进行比较，通过比例积分环节后成为调制信号，与三角波发生电路产生的作为载波信号的三角波进行比较，获得驱动有源滤波器逆变器的PWM驱动脉冲。 
该控制方式的主要特点是开关频率固定,响应速度快,对高开关频率的系统具有较好的控制特性；但硬件较为复杂，跟随误差较大，电流响应比瞬时值比较方式慢。

    4 空间矢量控制PWM技术原理

    电压空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）与传统的SPWM相比，SVPWM电流畸变率小，直流利用率高，功率开关器件开关次数少，尤其是它非常适合数字化实现和实时控制。目前，SVPWM在交流传动领域得到了广泛应用，并逐渐开始扩展到其他电力电子领域。

图6 APF输出电压在α-β平面内的矢量

    表2 二电平参考电压矢量扇区位置判断表

    由表2确定参考电压矢量Uref所处扇区位置后，利用伏秒特性等效原理，采用该扇区三个顶点对应的空间矢量来逼近参考电压矢量Uref，并根据公式（3）计算各开关矢量的作用时间T1、T2、T3合成为三相PWM信号。

    ■