摘要：針對空間矢量最優控制、定頻滯環電流控制、單周控制、變結構控制等幾種目前在有源電力濾波器（APF）控制中較新、應用較廣的方法進行了對比分析，指出了它們各自的優缺點及應用范圍。提出了基于單位功率因數(UPF)控制和組合變流器相移SPWM兩種控制策略，并進行了仿真驗證。

關鍵詞：單周控制；變結構控制；單位功率因數控制；組合變流器相移

1 引言

近年來，隨著電力電子技術的發展，電力電子裝置的應用越來越廣，它所產生的諧波和無功功率給電網帶來的各種危害也越來越大。為了抑制高次諧波和補償無功功率，近幾年出現了許多新型的無功補償裝置和有源濾波系統。這些裝置雖然各有不同，但有一點是共同的，即要求準確快速地檢測出諧波和無功功率，從而實現快速補償。有源電力濾波器（APF）的關鍵技術之一就是逆變器的PWM技術，目前常用的PWM技術有：

1）基于正弦波對三角波調制的SPWM技術；

2）基于消除特定次數諧波的HEPWM技術；

3）基于電流滯環跟蹤控制的PWM技術。

第一種方法適用于模擬系統，在微機控制系統中很少采用；第二種方法需要預先計算出要消除的若干次指定諧波，在負載經常變化的情況下，跟隨特性難以保證；第三種方法比較適合微機控制，其原理為實時檢測逆變器的輸出、并與跟蹤目標進行比較，當偏差超出允許的邊帶時，控制器動作，使偏差減小。

一般來說，波形質量，開關損耗，電壓利用率等是衡量PWM方法的幾個重要指標，隨著現代大功率器件開關頻率的不斷提高，波形質量問題己得到了較好的解決，而開關損耗問題卻日益嚴重，以電路拓撲改進為代表的軟開關技術在解決開關損耗問題的同時也帶來電路結構復雜化的問題，對復雜電路尤其如此。所以，如何從PWM控制方法的優化上減小開關損耗，是一個值得探討的問題。

針對APF的控制，相關文獻提出了各種控制方法，如正弦三角波調制，代價函數最小PWM法和空間矢量PWM法、單周控制、無差拍控制、變結構控制等。這里簡單介紹幾種較好、較新的控制方法。

2 各種控制策略綜述

2.1 空間矢量最優控制

空間電壓矢量法(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想磁通圓為基淮，用逆變器不同的開關模式所產生實際磁通去迫近基準圓磁通。由它們的比較結果決定逆變器的開關，形成PWM波形。此法從電動機的角度出發，把逆變器和電機看作一個整體，使電機獲得幅值恒定的圓形磁場。通過控制磁通或電壓矢量導通時間，用盡可能多的多邊形磁通去逼近正弦磁通。具體方法又分為磁通開環式和磁通閉環式。磁通開環法用兩個非零矢量和一個零矢量合成一個等效的電壓矢量，若采樣時間足夠小，可合成任意電壓矢量。此法輸出電壓正弦波調制時提高l5％，諧波電流有效值之和接近最小。磁通閉環式引入磁通反饋，控制磁通的大小和變化的速度。在比較估算磁通和給定磁通后，根據誤差決定產生下一個電壓矢量，形成PWM波形。這種方法克服了磁通開環法的不足，解決了電機低速時，定子電阻影響大的問題，減小了電機的脈動和噪音。有的學者提出一種應用于新型三電平PWM高頻整流系統的電壓空間矢量PWM調制控制方式[1]，使得系統不僅能控制有功功率的傳輸，而且能提供無功功率的吞吐。它不僅優化開關矢量，降低開關頻率，提高直流側電壓利用率，減小AC側輸入電流的總諧波畸變率，而且在中點電位控制方面也易于實現。將開關矢量劃分為4類：小開關矢量，零開關矢量，中開關矢量，大開關矢量（見圖1）。開關矢量選擇及優化的原則如下：

圖1 開關矢量分布

1)為了優化開關頻率，開關矢量選擇應該是每次開關矢量變化時，只有一個開關函數變動，而且變動值循環；

2)在一個開關周期中，開關矢量的選擇是對稱的；

3)零矢量或等效零矢量的作用時間是等分分配的；

4)考慮正開關矢量和負開關矢量的協調作用來平衡中點電位的浮動。

基于電壓矢量的控制方法本身就有較高的直流電壓利用率和控制精度，利用該方法能方便地判定參考電壓矢量所在區域，從而應用最優電壓矢量進行控制，使得SVPWM性能進一步提高。

2．2 滯環電流控制

滯環電流控制是一種簡單的Bang-bang控制，它集電流控制與PWM于一體。實際電流與指令電流的上、下限相比較，交點作為開關點。指令電流的上、下限形成一個滯環。滯環電流控制具有以下特點：

1）滯環電流控制是基于電流暫態的控制，具有動態響應速度快、魯棒性好的優點；

2）滯環電流控制本質是一種隱含載波的變頻SPWM調制方式，在三相高功率因數整流器中，滯環控制的隱含載波頻率隨電網電壓做周期性變化，變化頻率為工頻的2倍；

3）滯環電流控制輸出頻譜范圍寬，濾波較困難，諧波能量均勻分布在較寬的頻帶范圍內。

該方法將指令電流值與實際補償電流的差值輸入到具有滯環特性的比較器中，然后用比較器的輸出來控制逆變器的開關器件。與三角載波控制方式相比，該方法開關損耗小，動態響應快。但是，該方法使開關頻率變化較大，容易引起脈沖電流和開關噪聲。后來，為限定開關頻率的最大值而提出了變滯環帶寬的改進算法，這必將影響響應速度和補償電流跟蹤精度。為了解決滯環電流控制變頻的缺點，仍有不少學者在探索改進的方案，比如：限制最高開關頻率，通過改變滯環寬度實現恒頻控制等。

目前應用于有源濾波器的電流控制方法一般有兩類，即滯環電流控制方法和三角波電流控制方法。前者精度較高且響應快，但開關頻率可能波動很大，后者開關頻率恒定，裝置安全性較高，但響應較慢，精度較低。而基于電壓矢量的控制方法有較高的直流電壓利用率和控制精度。為解決既能保持恒定的開關頻率，有較高的直流電壓利用率，又能同時提高有源濾波器性能和效率的難題，有人提出一種新的基于優化電壓矢量的有源濾波器定頻滯環電流控制方法[2]。它的主要原理是保持一相開關合于下臂不動，用其余兩相開關去獨立控制相應的相間電流，并不需要估計阻抗參數，便能實現兩相解耦，進而在傳統的滯環控制中實現了開關定頻。該方法的特點，一是能快速正確判定參考電壓矢量的區域，從而選擇優化電壓矢量去控制電流，二是可選擇逆變器中的兩個適當的開關去獨立控制相應的兩個相間電流，不需估計阻抗值即可實現開關定頻化。在達到較高的控制精度、保證較高的輸出電壓的同時，還實現了開關的定頻化，從而使有源濾波器的綜合性能有明顯提高。

2.3 單周控制

單周控制法，又稱積分復位控制（Integration Reset Control，簡稱IRC）作為一種非線性控制法，最早由美國學者Keyue M.Smedley和S1obodanCuk提出。該技術同時具有調制和控制的雙重性，通過復位開關、積分器、觸發電路、比較器達到跟蹤指令信號的目的。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時鐘組成，其中控制器可以是RS觸發器，其控制原理如圖2所示。圖2中，K可以是任何物理開關，也可是其它可轉化為開關變量形式的抽象信號。

圖2 單周控制原理圖