1引言

　　隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的電力電子裝置被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，然而電力電子器件所固有的非線性使得它對(duì)市電的影響如諧波污染及輸入端功率因數(shù)問(wèn)題等顯得日益突出。以前，我們使用無(wú)源濾波網(wǎng)來(lái)解決諧波問(wèn)題。但是，無(wú)源濾波網(wǎng)的濾波特性是非選擇性的，而且它也具有一些如體積大，容易引起諧振，補(bǔ)償特性差等缺點(diǎn)〖1〗〖18〗。為解決功率因數(shù)校正問(wèn)題，近些年來(lái)，提出了許多靜止無(wú)功補(bǔ)償器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)〖2〗〖3〗。但是一些靜止無(wú)功補(bǔ)償器本身就會(huì)產(chǎn)生低次諧波〖3〗，而且其動(dòng)態(tài)響應(yīng)也無(wú)法滿足一些特殊負(fù)載的要求。

　　為此，人們提出了一系列有源濾波器" title="有源濾波器">有源濾波器（APF）方案來(lái)〖3－23〗解決諧波和無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)。例如，Akagi[16]提出了一種使用多電壓源變換器" title="變換器">變換器和延時(shí)PWM方案的有源濾波器。他在隨后的論文[17]中詳細(xì)描述了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的控制電路，并討論了它的瞬態(tài)響應(yīng)特性。Enslin[19]通過(guò)檢測(cè)、計(jì)算負(fù)載的無(wú)功功率來(lái)確定補(bǔ)償電流，并注入電網(wǎng)。Enslin和Hayafune[20]采用微處理器來(lái)計(jì)算出補(bǔ)償電流并產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。JouH.L.[24]通過(guò)計(jì)算負(fù)載電流的基波有功部分來(lái)決定補(bǔ)償電流，并注入電網(wǎng)。以上種種有源濾波器的控制方法都需檢測(cè)負(fù)載電流的波形，然后作相應(yīng)的處理，產(chǎn)生補(bǔ)償電流的基準(zhǔn)。WuJ.C.和JouH.L.[25]在1996年提出了一種簡(jiǎn)化的單相有源濾波器的控制方法，這種控制方法檢測(cè)的是進(jìn)線電源電流的波形，而且只產(chǎn)生電源電流的基準(zhǔn)，不產(chǎn)生補(bǔ)償電流的基準(zhǔn)，所以進(jìn)線電源電流才是直接控制的量。

　　本文所述的實(shí)用三相有源濾波器的控制策略，是對(duì)“簡(jiǎn)化控制方法”的擴(kuò)充和改進(jìn)，并應(yīng)用于三相有源濾波器，不僅實(shí)現(xiàn)方便、可靠，而且采用動(dòng)態(tài)電流帶寬控制后的三相有源濾波器除了能實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功的補(bǔ)償和對(duì)諧波電流的抑制外，還可平衡輸電線上的三相電流。因此，它可提高電能質(zhì)量以及輸電線的輸送效率。

2三相有源濾波器的主電路結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1三相并聯(lián)有源濾波器的主電路

　　有源濾波器的主電路采用三相四線制電壓型變換器，如圖1所示。電壓型變換器直流母線上的直流電容C1和C2用作儲(chǔ)能元件，C1和C2容值相等。開(kāi)關(guān)S1，S4組成A相的半橋變換器" title="半橋變換器">半橋變換器，當(dāng)橋臂開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，電感L1上的電壓使ifa線性上升或下降，由此控制ifa的大小，相位和波形，從而可以控制A相的輸入電流ia。這個(gè)變換器可以工作在整流狀態(tài)，也可以工作在逆變狀態(tài)。同樣，開(kāi)關(guān)S3，S6組成的B相半橋變換器和開(kāi)關(guān)S5，S2組成的C相半橋變換器可以分別控制B相和C相的輸入電流，它們也都可以工作在整流和逆變狀態(tài)。電感L0和電容C0組成一個(gè)低通濾波器，其作用為消除變換器產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)紋波。

　　本文所討論的實(shí)用三相有源濾波器的控制策略的基本思想為：為三相輸入相電流設(shè)定三個(gè)與相電壓同相，僅含基波，并相互間幅值相等的相電流基準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)各相變換器的控制使相電流ia,ib,ic在一個(gè)差帶內(nèi)追隨基準(zhǔn)而變化。因?yàn)榛鶞?zhǔn)是幅值相等，且與相電壓同相位的正弦波，所以當(dāng)用附加的無(wú)源濾波器濾掉開(kāi)關(guān)頻帶后，相電流iA,iB,iC是功率因數(shù)高，失真小，對(duì)稱的電流。

　　如果忽略有源濾波器的損耗，變換器不吸收能量也不放出能量，在穩(wěn)態(tài)下，負(fù)載消耗的能量等于電源提供的能量，即輸入輸出功率保持平衡。直流母線上的電容為儲(chǔ)能元件，因此變換器可以與電源和負(fù)載交換能量，負(fù)載所需的無(wú)功功率是通過(guò)與有源濾波器的交換而獲得的。無(wú)功僅在有源濾波器與負(fù)載之間交換。負(fù)載所需的不對(duì)稱功率由電源經(jīng)變換器相與相之間能量交換后提供給負(fù)載。

　　如果輸入輸出功率失去平衡，不平衡部分的能量將由直流電容補(bǔ)給或吸收，由此引起電容電壓的變化。如果電源供給的有功小于負(fù)載所需，則直流電容電壓下降，控制電路檢測(cè)到電容電壓下降后將同時(shí)增大各相電流基準(zhǔn)的幅值，以增加電源供給的有功。相反，當(dāng)直流電容電壓上升時(shí)，將同時(shí)減小各相電流基準(zhǔn)的幅值，最終使能量的供需達(dá)到平衡。直流母線上電容電壓的平均值可提供功率是否平衡的信息。我們通過(guò)反饋控制來(lái)決定基準(zhǔn)電流的幅值，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出功率之間的平衡。

3控制方框圖　　

圖2所示為有源濾波器的控制方框圖。在有源濾波器的控制中，需檢測(cè)的量有：相電流ik,相電壓uk，上下直流電容上的電壓Uc1和Uc2。檢測(cè)三相進(jìn)線電壓，產(chǎn)生與相電壓同相的單位正弦波Sk。Uref為設(shè)定的電容電壓期望值，它與（Uc2＋Uc1）的誤差e經(jīng)比例積分后得到的電平R，來(lái)調(diào)節(jié)基準(zhǔn)的幅值，使電源和負(fù)載之間能量平衡。反饋到電流平衡整定電路，產(chǎn)生微調(diào)電平Tk微調(diào)基準(zhǔn)幅值，使三相電流基準(zhǔn)幅值完全相等。這使得三相電壓對(duì)稱時(shí)，進(jìn)線上的三相功率對(duì)稱。Uc2與Uc1的差經(jīng)比例積分后得到誤差ε，加在電流基準(zhǔn)上，使相電流有一個(gè)可調(diào)節(jié)的直流分量，保證工作過(guò)程中C1和C2上電壓的平均值相等。（關(guān)于這一點(diǎn)將在后面詳細(xì)討論）。所以電流基準(zhǔn)由Sk,R,Tk和ε四個(gè)量決定：

　　基準(zhǔn)電流上下浮動(dòng)δ，形成一個(gè)2δ的帶寬，我們采用滯環(huán)控制" title="滯環(huán)控制">滯環(huán)控制脈沖調(diào)制的方法控制半橋變換器上下臂的開(kāi)通和關(guān)斷，使相電流ik在差帶內(nèi)上升和下降，從面實(shí)現(xiàn)有源濾波器的三大功能。

圖2控制方框圖

　　假設(shè)系統(tǒng)電壓恒定，負(fù)載恒定，則負(fù)載電流i1k(k=a,b,c)穩(wěn)定。i1k可為不對(duì)稱、非線性電流，含有無(wú)功及諧波。相電流ik為負(fù)載電流i1k和補(bǔ)償電流ifk之和。所以如果能控制補(bǔ)償電流ifk，便可控制相電流ik。滯環(huán)控制脈沖調(diào)制器的典型工作模式如圖3所示。

　　開(kāi)關(guān)器件S1和S4組成A相的半橋變換器，通過(guò)對(duì)相電流基準(zhǔn)幅值的調(diào)整，使Uc1和Uc2的平均值恒定。為使有源濾波器能正常工作，Uc1和Uc2必須大于輸入電壓的峰值。

　　開(kāi)通S4，關(guān)斷S1，此時(shí)若ifa>0，則ifa流經(jīng)S4使C2放電，Uc2降低，ifa增大，ia增大；若ifa<0， 則 ifa流 經(jīng) 下 橋 臂 反 向 二 極 管 給 C2正 向 充 電 ， Uc2升 高 ， ifa增 大 ， ia增 大 。 所 以 下 橋 臂 導(dǎo) 通 時(shí) ifa和 ia增 大 （ dia/dt>0）。

　當(dāng)ia增長(zhǎng)到略大于＋δ時(shí)，關(guān)斷S4，開(kāi)通S1，此時(shí)若ifa>0，則ifa流經(jīng)上橋臂反向二極管給C1正向充電，Uc1升高，ifa減小，ia減??；若ifa<0， 則 ifa流 經(jīng) S1使 C1放 電 ， UC1降 低 ， ifa減 小 ， ia減 小 。 所 以 上 橋 臂 導(dǎo) 通 時(shí) ， ifa和 ia減 小 （ dia/dt<0） 。 當(dāng) ia下 降 到 略 小 于 － δ 時(shí) ， 再 次 開(kāi) 通 S4， 關(guān) 斷 S1， 依 次 類 推 ， 通 過(guò) 這 個(gè) 半 橋 變 換 器 上 下 橋 臂 的 開(kāi) 通 和 關(guān) 斷 ， 可 使 相 電 流 ia在 一 個(gè) 差 帶 2δ 內(nèi) 追 隨 相 電 流 基 準(zhǔn) 變 化 ， 如 圖 3所 示 。

　　以上以A相為例闡述了滯環(huán)控制脈沖調(diào)制器的工作原理。三相有源濾波器的主電路為三相半橋式。各相的滯環(huán)控制脈沖調(diào)制是相對(duì)獨(dú)立的。

　因?yàn)閰⒖茧娏?k=a,b,c)為三相對(duì)稱正弦基波，而主電流ik(k=a,b,c)在動(dòng)態(tài)電流帶寬控制下追蹤參考電流，經(jīng)無(wú)源濾波后，開(kāi)關(guān)頻率很容易被濾掉，只剩下所需的三相對(duì)稱基波，所以輸入端的傳輸線上的電流三相平衡，電源中線上無(wú)零序電流流過(guò)，非線性負(fù)載所需的零序電流全部由有源濾波器來(lái)提供。

　　在變換器上下橋臂依次導(dǎo)通的過(guò)程中，無(wú)論ifk流入還是流出變換器，都會(huì)引起UC1和UC2的波動(dòng)。表1概括了電流ifk的各種情況所引起的電容C1和C2上的電壓變化。

表1電容電壓UC1和UC2變化狀況

圖3滯環(huán)控制脈沖調(diào)制器的典型工作模式

在ifk>0的情況下，UC1升高，UC2降低，但是它們的變化值并不相等。因?yàn)閐ifk/dt的值受交流相電壓的瞬時(shí)值的影響。在ifk<0的 情 況 下 亦 同 。

　　當(dāng)ifk含有直流分量時(shí)，即使很微小，電荷也會(huì)累積在直流電容上，使UC1和UC2失去對(duì)稱。如果給參考電流增加一個(gè)可控制的微小的直流分量ε，就可控制上下電容電壓平均值的差值，將它限制在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)。直流分量ε是由上下電容電壓的差值ΔU(ΔU=UC2－UC1)經(jīng)比例積分而定的，

　　可見(jiàn)，加入了直流分量ε（－δ<ε <δ ） 后 ， 改 變 了 參 考 電 流 的 上 下 帶 的 值 ， 但 并 不 改 變 整 個(gè) 帶 寬 值 （ 2δ ） ， 以 及 由 帶 寬 所 決 定 的 開(kāi) 關(guān) 頻 率 。 直 流 分 量 ε 對(duì) 電 容 電 壓 的 影 響 如 下 ： 直流電容電壓的波動(dòng)也會(huì)隨參考電流的幅值和帶寬的變化而變化。此外，(UC1＋UC2)和(UC2－UC1)不僅會(huì)有開(kāi)關(guān)頻率的紋波，而且還有同中線電流i0相應(yīng)用的紋波。

4電感L1和工作頻率的選取

　　上橋臂導(dǎo)通時(shí),ifa減??；下橋臂導(dǎo)通時(shí)，ifa增長(zhǎng)：

　　給定uA,確定UC1和UC2的平均值，半橋變換器的最大和最小工作頻率取決于電感L1和差帶2δ的值。L1和差帶2δ都與頻率成反比。

　　在綜合考慮無(wú)源濾波網(wǎng)的設(shè)計(jì)和器件的頻率特性后，我們可以通過(guò)L1和差帶2δ值的選取使半橋變換器工作在一定的頻帶內(nèi)。

5對(duì)電路的仿真

　　用PSPICE軟件對(duì)以上三相有源濾波器時(shí)進(jìn)行仿真，

　　（1）相電壓有效值：110VAC

　?。?）UC1和UC2的平均電壓：180VDC

　?。?）電感L1:3mH

　　得負(fù)載電流i1a以及A相電流ia如圖4所示。

　　由圖4可看到，A相電流ia除了開(kāi)關(guān)紋波外就是一個(gè)正弦波，它與相電壓同相。而高頻的開(kāi)關(guān)紋波很容易用外加的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)濾掉。

6實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　三相輸入電壓：110VAC

　　直流母線電壓：370VDC

圖4仿真得到的A相負(fù)載電流和主電路電流

　　電感L1：2.5mH

　　補(bǔ)償功率：2.5kVA

　　工作頻帶：3k到7k

　　LC無(wú)源濾波器網(wǎng)：L0=500μH，C0=30μF

　　非線性負(fù)載電路如圖5所示，其非線性電流如圖6所示，經(jīng)補(bǔ)償后的主電路電流如圖7所示。

　　用HP35663A型動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)量得A、B、C相進(jìn)線電流的THD分別為3.9％、3.8％、3.9％。用功率因數(shù)表測(cè)入A、B、C相的功率因數(shù)分別為0.999,0.997,0.998。三相電流的不對(duì)稱度為2.1％。

圖5實(shí)驗(yàn)用的非線性負(fù)載

圖6非線性負(fù)載電流

圖7經(jīng)補(bǔ)償后的主電路電流

7結(jié)論

　　綜上所述，實(shí)用三相有源濾波器對(duì)市電有無(wú)功補(bǔ)償、諧波抑制及平衡進(jìn)線電流的作用。實(shí)驗(yàn)證明它的補(bǔ)償效果是好的，而且它可根據(jù)市電對(duì)無(wú)功和諧波的需求量進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功量不受系統(tǒng)電壓的限制。它的控制簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，具有廣闊的應(yīng)用前景。