并聯型有源濾波器的死區效應及其補償策略
2011-03-25
死區效應對并聯型APF補償性能有所影響，本文對電流反饋型和無死區控制兩種死區補償策略用于并聯型APF死區補償的可行性進行研究。仿真結果表明，二者均能對并聯型APF的死區效應進行有效補償。從成本和可操作性來考慮，與電流反饋型補償策略相比，無死區補償策略具有一定的優勢。
1 常用的并聯型三相四線制APF簡介
近年來，有源電力濾波器（Active Power Filter，簡稱APF）作為一種動態抑制諧波和補償無功的新型電力電子裝置得到了迅速發展。其中，并聯型APF由于具有效率高、成本低、易控制等優點而成為研究重點。
并聯型三相四線制APF的基本原理是通過某種算法來控制主電路中的電壓型逆變器，使其向網側注入抵消負載電流中的諧波和無功電流分量，從而使得電源電流只剩下基波有功分量，其波形為與電壓同相的正弦波。然而，電壓型逆變器存在直流電壓母線，為了防止開關器件發生“直通”現象，在同一橋臂的兩個開關管開通與關斷之間必須設置一定的死區時間。而死區的存在使得電壓型逆變器不能精確實現控制算法，從而影響APF的補償性能。
本文詳細分析了并聯型三相四線制APF死區效應的的形成及其影響，研究了相應的死區補償策略，對提高APF的補償性能有一定的參考價值。
2 死區效應分析
由于三相橋臂相互獨立，故以A相來分析死區時間的存在對APF補償性能的影響，如圖2所示。圖2中， 是負載電流； 是APF輸出的補償電流； 為補償后的電源電流。
假定開關管均為理想開關（開通與關斷是瞬時完成的，且通態壓降為零），則在死區時間 內，S1和S2都處于關斷狀態，逆變器輸出補償電流只能由反并聯二極管D1或D2來續流。規定電流由橋臂流出時為正方向。當 ＞0時，在死區時間內， 只能通過D2來續流，Ａ點電壓被鉗位在－Uc/２。此時，若S1由導通到關斷、S2由關斷到導通，則理想情況下Ａ點電壓應為－Uc /２，因而此時死區的存在對APF輸出沒有影響；若S1由關斷到導通、S2由導通到關斷，則理想情況下Ａ點電壓應為Uc／２，而實際電壓為－Uc /２，因而與理想情況相比，在死區時間內，A點電壓相當于增加了一個幅值為Uc、寬度為 負脈沖。同理可以分析 ＜0時的情況，當S1由導通到關斷、S2由關斷到導通時，A點電壓相當于增加了一個幅值為Uc、寬度為 正脈沖；當S1由關斷到導通、S2由導通到關斷時，死區對APF輸出沒有影響。死區效應波形圖如圖3所示。
（a）理想驅動波形 （b）實際驅動波形
（c）理想輸出波形 （d） >0時實際輸出波形
（e） >0時偏差電壓波形（f） <0時實際輸出波形
（g） <0時偏差電壓波形
圖3 死區效應波形圖
由圖3 可以看出，加入死區時間后，APF橋臂中點輸出電壓與理想值之間產生一定的偏差，不計電壓的上升與下降時間，此偏差電壓可以看成一系列電壓脈沖，有如下特點：
(1) 每個開關周期內存在一個偏差電壓脈沖；
(2) 此偏差電壓脈沖幅值為 ，寬度為 ；
(3) 每個偏差電壓脈沖的極性與當時輸出補償電流的極性相反。
圖4通過相量圖來說明此偏差電壓脈沖對逆變器輸出的影響。圖中， 、 分別為逆變器在理想情況下的輸出電壓和電流，相為差為 ； 為死區效應引起的偏差電壓； 為 與 的合成，即為實際輸出電壓； 為 與 的相位差。
死區效應不僅影響APF輸出電壓的幅值，也對其相位產生影響。
以上分析是在假定開關管均為理想開關的情況下進行的，而實際中，開關管的通態壓降和開關時間均是存在的，并且隨著溫度和電流的變化而變化。此外，當輸出補償電流在死區時間內續流至零時，由于二極管的正向導通性，電流不再反向增大，在這段時間內，A點電壓為零（不考慮開關特性差異），此時偏差電壓脈沖幅值為Uc /２，此現象稱為零電流鉗位現象[3]。總之，由于死區時間的加入，使得APF的輸出與理想值之間產生一定的偏差，這必然影響APF的補償性能。由分析可知，偏差量與開關頻率、死區時間 成正比，頻率越高、 越大，則偏差越大，對補償性能的影響越嚴重。因此，為了提高APF的補償性能，必須對死區進行補償。
3 死區效應的補償策略分析
下面研究常用的電流反饋型補償策略和無死區補償策略用于并聯型三相四線制APF死區補償的可行性。
3.1 電流反饋型補償策略
這種方法的基本思想是通過對逆變器輸出電流的檢測并判斷其極性，將檢測結果送入控制器，控制器根據判斷出的電流極性來調整開關管驅動脈沖的寬度，從而產生一個與偏差電壓脈沖幅值和寬度相同、極性相反的補償電壓脈沖，來抵消偏差電壓的影響[4,5]。圖5給出了兩種補償策略的原理圖。
(a) 電流反饋型補償策略原理圖
(b) 三角載波控制時死區補償電路原理圖
圖5 兩種補償策略原理圖
圖5（a）為電流反饋型補償策略的原理圖。在具體實現時，死區電路的工作原理和參數設計隨著APF所采用的控制策略及其控制器參數的不同而不同。圖5(b)為傳統的三角載波線性控制時死區補償電路原理圖，工作過程如下：通過對逆變器輸出補償電流的檢測來判斷其極性，死區補償電路根據電流極性產生一個死區補償電壓與APF控制器中的參考電壓相加后與載波信號進行比較，從而實現驅動脈沖的調節，進而補償死區效應的影響。對于其他控制方式如滯環控制、單周控制等都可以采用類似的方法來實現，本文不再熬述。
3.2 無死區補償策略
如圖6(a)所示，當 ＞0時， 只能經S1或D2形成回路，此時，即使S2導通，由于其單向導通性， 也不會流經S2，因而可以認為此時S2的導通與關斷對 沒有影響，從而可以將其驅動信號封鎖，使其在 ＞0時處于斷開狀態，僅控制S1的導通與關斷來調節逆變器的輸出電流；同理當 ＜0時，將S1的驅動信號封鎖，僅對S2進行控制來調節輸出電流，這種控制方法稱為無死區控制[6]。
(a) 無死區補償策略原理圖
(b) 無死區控制電路原理圖
(b)為無死區控制電路原理圖，當 ＞0時，極性檢測輸出高電平，選通門U1選通，U2封鎖；當 ＜0時，極性檢測輸出低電平，選通門U1封鎖，U2 選通。
3.3 兩者的比較
根據對兩種補償策略原理的分析可知，二者的共同之處是都需要對輸出電流進行檢測來判斷其極性。圖7 給出了仿真結果。
（a）負載電流波形
（b）不設死區時電源電流波形
（c）死區為5μs時電源電流波形
（d）電流反饋控制時的電源電流波形
（e）無死區控制時的電源電流波形
Fig.7 Simulation results
由仿真結果可以看出：①死區的存在對APF的補償性能有一定的影響；②上述兩種方法均能實現對死區效應的有效補償。仿真是在Matlab6.5提供的Simulink平臺上進行的，電流極性判斷采用關系運算模塊來實現，從而可以認為不存在檢測誤差。因此，減小檢測誤差、提高檢測精度是改善死區補償效果的首要條件。
二者的不同之處是它們消除死區效應影響的機理截然不同，電流反饋型補償策略是在死區存在的前提下通過改變開關管的開通與關斷時間來實現輸出電流調節的，它需要將電流檢測信號送入APF的控制器，對控制器產生作用來調整開關管驅動脈沖的寬度，當APF采用不同的控制策略或控制器參數發生改變時，死區補償電路的參數也將隨之改變。因此在設計時必須將二者結合起來考慮。而無死區補償策略是通過封鎖同一橋臂中某一只開關管的驅動信號，而對另一只開關管進行控制來實現輸出電流調節的，因而可以取消死區時間的設置，降低了控制電路的復雜性和成本；此外，該方法不會對控制儀器本身產生作用，適用于采用任何一種控制策略的APF，具有通用性。因此，無死區補償策略更適合用于對并聯型APF進行死區補償。
分析了三相四線制有源電力濾波器中逆變器的死區效應對其補償性能的影響，研究了電流反饋控制和無死區控制兩種補償策略用于上述有源電力濾波器死區補償的可行性，并通過仿真對兩種方法的補償效果進行比較。結果表明，兩者均能有效補償死區效應的影響；但在實現的難易程度和成本方面，無死區控制策略有一定優勢。
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