基于改进电流滞环控制的三电平APF及压差平衡闭环控制策略研究

杨 鸽，刘春乐，卓玉洁

(1.四川水利职业技术学院 电力工程系，四川 成都 611231；2.山东泰开电力电子有限公司，山东 泰安 271000)

0 引言

有源电力滤波器(APF)是通过控制装置中的开关管使得逆变器交流侧输出电流快速地跟踪上系统中检测到的谐波电流指令值，实现有效的抵消电力系统中的谐波电流，从而也就实现了对系统的谐波电流进行动态补偿〔1-4〕。

目前对于APF有源电力滤波系统中的控制策略问题研究已有很多文献论述。文献〔5〕提出了一种PR与滞环复合(PR+滞环)的电流环控制策略，有效解决传统滞环控制存在较大纹波和比例谐振(PR)控制器设计复杂问题。文献〔6〕提出了一种dq旋转坐标下基于比例复数积分控制器的有源电力滤波器控制系统，有效提高电力滤波器的补偿能力。文献〔7〕针对电流环控制策略中PI控制器不能有效补偿的问题，设计了将重复控制与模糊自适应PI结合的优化控制策略。文献〔8〕在通过对三相三电平逆变器进行数学分析，应用解耦控制的间接电流控制策略，实现有源电力滤波器的输出谐波电流控制，但由于其控制策略中与输出侧电感参数的引入，其控制效果会随着电感参数的准确性而改变，因此这种方法有其固有的缺陷；而有些文献提出直接转矩控制的基础上引入了空间矢量控制及预测控制思想，可以克服直接转矩控制中开关频率不固定的不足；或者提出无需输出侧电感参数的控制方法等，这些控制方法都在一定程度上增加了控制系统的复杂性和实现难度，并不具有数字化实现的可操作性。

本文主要在上述文献的基础上，就传统滞环电流控制开展研究〔9〕，由于传统的滞环电流控制策略在三电平APF上的实现有缺陷，因此本文比较了两电平和三电平滞环电流控制的特点，再结合各自优点提出了改进型控制策略实现对三电平有源电力滤波器的控制；然后由于三电平直流侧母线存在压差不平衡的问题，提出了一种基于改进滞环电流控制的零序电流注入新型闭环控制方法，对零序电压环路和外环进行了相应的设计，最后搭建实验平台验证了控制策略的正确型和有效性。

1 电流滞环控制工作原理

图1所示为电流滞环控制器的原理图。其基本工作原理就是根据电流误差的方向，控制相应的IGBT通断，使得被控电流限制在给定电流的给定的误差范围内。

图1 电流滞环控制器的原理图

如图2所示。图中，iL*为电感电流给定，iL为电感电流，H为滞环宽度，ton为电感电流的上升时间，toff为电感电流减小的时间。由图2可知，滞环电流控制器的开关周期为T=ton+toff。当电感电流小于iL*-H时，开通IGBT，使得电感电流增加。当电感电流大于iL*+H时，开通另一个IGBT，使得电感电流减小，如此反复，从而把电感电流限制在iL*的范围内〔10〕。

图2 电流滞环控制器的示意图

2 三电平逆变器改进滞环电流控制

2.1 两电平和三电平滞环电流控制比较

两电平和三电平滞环电流控制具体可参见文献〔11〕。文献〔11〕详细分析了两电平和三电平电流滞环控制器的开关频率和脉冲宽度与电网电压的相位关系。在相同条件下，两电平和三电平滞环电流控制有如下关系：

(1)三电平滞环电流控制器最大开关频率为两电平滞环电流控制器的一半。

(2)三电平滞环电流控制器的平均开关频率比两电平滞环电流控制器小。

(3)三电平滞环电流控制器的最大开关频率出现在Ua=Udc/2处，两电平滞环电流控制器的最大开关频率出现在Ua=0处。

(4)三电平滞环电流控制器的最小脉冲比两电平滞环电流控制器的最小脉冲宽度大。这个特点有利于三电平滞环电流控制器的数字化。

(5)三电平滞环电流控制器的开关频率范围为〔0,fmax〕；而两电平滞环电流控制器的开关频率相对集中为〔fmin,fmax〕；这使得三电平滞环电流控制器的滤波器很难设计。

2.2 三电平改进滞环电流控制策略

由上述可知，三电平滞环电流控制器的开关频率范围为〔0,fmax〕，这个频率范围已经进入了50次谐波范围。这个特点加大了采用三电平滞环电流控制器的APF的输入滤波器的设计难度。

由于一方面三电平逆变器能送出〔1, 0, -1〕三种电平；另一方面，两电平滞环电流控制器的开关频率相对集中。可以考虑将两者结合起来，在市电电压过零附近，逆变器按两电平方式控制，从而缩小逆变器的开关频率范围，同时也可以增大三电平滞环电流控制器的最小脉冲宽度，有利于逆变器的数字化。

实际上，为了解决IGBT均压的问题，当三电平逆变器按两电平方式工作时，在1和-1电平切换期间，必须插入0电平。这会导致跟踪电流出现一定的畸变。然而，只要能把0电平的作用时间减到足够小，就能忽略这种畸变的影响。

此外，由于两电平滞环电流控制器的开关频率比三电平滞环电流控制器的开关频率高2倍，而且，电压过零附近正是两电平逆变器的最高开关频率点。工作方式的切换，会导致逆变器的最大开关频率成倍增加。可以考虑采用改变滞环宽度的方式去解决这个问题；即：当逆变器切换到两电平工作模式时，将滞环宽度增加一倍，就可以维持最大开关频率不变，同时增大过零点附近的脉冲宽度，有利于滞环电流控制器的数字化。

改进型滞环电流控制器的开关频率、脉冲宽度和电网电压相位关系如图3和图4所示。由图3和图4可知，改进后的滞环电流控制器的开关频率相对集中，而且最小脉冲宽度也变大了，这有利于数字化的实现。

图3 改进型滞环电流控制器的开关频率与电网电压相位关系图

图4 改进型滞环电流控制器的脉冲宽度与电网电压相位关系图

3 压差平衡新闭环控制系统设计

根据已查的文献，有两种方案能够解决三电平逆变器的母线不平衡问题〔12-14〕。一种方案是根据母线电压的差异调整三电平逆变器输出的小矢量，从而使得流入母线中点电流的平均值为0，解决母线差的问题。然而，这种方案更适用于SVM调制的三电平逆变器。对于使用SPWM和滞环电流控制的三电平逆变器，其小矢量的选择变得很复杂。另一种方案是通过向调制波注入零序电压的方式来解决母线平衡的问题。这种方案非常适用于采用SPWM调制方式的三电平逆变器。

本文的三电平逆变器采用了滞环电流控制方案，这种控制方案没有载波和调制波这个概念。故无法直接采用向调制波注入零序电压的方法。但是由于该方法核心思想在于控制逆变器输出一个零序电压，以改变流入母线电流的平均电流。为此，我们提出了一种基于改进滞环电流控制的零序电流注入新型闭环控制方案,其闭环控制方案如图5所示。其中电流控制采用滞环电流控制，不需要设计内环的控制系统；而零序电压U0环路设计和外环设计详细如下。

图5 基于改进滞环电流控制的零序电流注入新型闭环控制系统图

3.1 零序电压环路设计

当电流控制采用滞环电流控制时，电压型逆变器可以等效为一个受控电流源。则对于零序分量而言，APF滤波系统可以等效如图6所示。

图6 零序电压控制对象等效框图

在图6中，电流源i0由三电平逆变器，逆变电感和滞环电流控制器等效过来的。R1/R2/R3、L3和C都是输出LCL滤波器的参数。零序电压环路的控制目标就是通过控制逆变器向LCL滤波器注入一个零序电流，从而在电容上产生一个直流分量V0，从而影响三电平逆变器流入母线中点的平均电流。

图6所示电路的传递函数如式(1)所示。零序电压控制系统的控制简化框图如图7所示。

图7 零地电压控制系统的控制简化图

(1)

图7中，G1为控制对象为

G1=G(s)Kad

(2)

图7中H1为反馈环节，就50 A APF装置机型，H1=4 096/230(零序电压以230 V为基值定标)，C为PID控制器。图8所示是系统的开环伯德图。

图8 系统控制环路开环伯德图

从图8可以看出，系统以-20 dB斜率穿越0分贝线，系统是一个稳定系统。但是在低频段、中频段和高频段，系统都以小于-20 dB的斜率衰减，系统的抗扰性不足。

采用PID校正，使得系统在高频段和低频段以-40 dB斜率衰减。保持-20 dB斜率穿越0分贝线，并保留足够的宽度。这样，系统拥有较高的响应时间，以及较好的抗扰性，如图9和图10所示。图9为校正后的开环伯德图。图10为校正后系统的阶跃响应曲线图。校正传递函数为：

图9 校正后系统开环伯德图

图10 校正后系统的阶跃响应曲线图

(3)

3.2 外环设计

由文献〔15〕可知，注入调制波的直流分量与零序电流之间的关系可由式(4)所示。

(4)

其中：I是电流有效值；θ是功率因数角；δ是注入的零序电压；A为调制波的幅值。

由方程4可知，这是一个非线性方程。在设计控制器时，仅能考虑其中的一种条件。假设δ≤A成立，则式(4)可以化简为式(5)。

(5)

零序电流仅仅与负载电流的大小、输出功率因数和注入的零序电压有关。

图11所示是母线差与零序电流之间的等效电路图。由图11可知，母线差与零序电流之间的关系可以由式6表示。

图11 母线差与零序电流等效电路图

(6)

对式(6)进行拉普拉斯变换，可得式(7)。

(7)

其中：C为母线电容。

图12是母线差调节器的开环系统伯德图。由图12可知，一个P调节器就能使系统稳定，并保证足够的稳定裕量，按照系统参数选择Kp=2.8。

图12 母线差调节器开环系统伯德图

值得注意的是，由于零序电流与系统输出的功率因数和输出电流大小有关。所以P系数还应该根据功率因数的方向和电流大小进行调节，以提高系统的性能。

4 系统实验验证

图13所示为实验系统图。在图13中，直流侧电容为逆变器提供稳定的直流电压。三电平逆变器向电网注入谐波电流分量。实验参数如表1所示。

图13 实验系统主电路示意图

表1 实验参数

图14所示为突加突卸100 %纯阻性负载时母线电压波形图，由图可知系统的平衡能力强。从图15可知，突加突卸阻感性负载(PF=0.8滞后)时，系统能具备足够的平衡能力，动态时，系统也能动态调节，最终保持压差平衡。由此证明了本文提出的基于改进滞环电流控制的三电平APF母线压差平衡控制方法的正确和有效性。

图14 突加突卸100%纯阻载时母线电压平衡波形图

图15 PF=0.8(滞后)时母线电压平衡波形图

5 结语

(1)本文主要分析了滞环电流控制下两电平和三电平的优缺点，在三电平下提出改进滞环电流控制策略，保证三电平APF在开关频率和脉冲宽度上实现滞环电流控制的数字化和简单化。

(2)就三电平逆变器母线压差不平衡的固有问题，提出基于改进滞环电流控制的直流母线压差闭环控制系统，并就零序电压控制环节和外环控制参数展开了详细设计。

(3)搭建试验平台，开展了纯阻性负载和阻感性负载下电流波形补偿能力和母线电压平衡能力试验，试验结果验证了基于改进滞环电流控制母线压差控制策略的正确和有效性。