有源电力滤波已成为了最有效的电力谐波抑制手段,PWM控制广泛的应用在有源电力滤波器的控制系统中。本文对各种PWM信号控制方式进行了介绍和比较,重点分析了滞环比较PWM控制方式和三角波比较PWM控制方式的原理,总结了各种控制方式的优缺点。
0 引言
有源电力滤波器由于其优良的性能而在电力滤波中逐渐替代无源滤波器。由于有源滤波器的原理是自身实时产生一个与谐波方向相反,幅值相同的补偿电压(电流),这就要求滤波器产生的补偿电压(电流)必须具有很好的跟踪性和准确性。PWM(脉冲宽度调制)控制是有源电力滤波器控制系统中最常用,也是最有效的控制方法。当检测系统检测到谐波后,指令运算电路根据检测到的谐波产生补偿信号,该信号通过跟踪控制电路生成PWM信号,最后驱动电路根据PWM信号产生补偿电压(电流)。目前采用的PWM控制方式主要有滞环比较方式、三角波比较方式、无差拍控制、单周控制等,以上方法都有自己的优缺点,本文将对几种常用的PWM控制方式进行探讨。
1 滞环比较PWM控制方式
滞环比较控制方法是将补偿电流(电压)的指令信号与逆变器实际电流(电压)补偿信号进行比较,两者之差输入到具有滞环特性的比较器,通过比较器的输出来控制开关的开合,从而达到变流器输出值实时跟踪补偿电流(电压)参考值。
补偿电流的指令信号i*c与实际的补偿电流信号ic进行比较,两者的偏差△ic作为滞环比较器的输入。用H表示滞环比较器的环宽,当∣△ic∣H时,滞环比较器的输出将翻转,则补偿电流ic的方向随之改变,使△ic减小,保证了补偿电流跟踪指令电流的变化。这种控制方法硬件电路简单,属于实时控制方式的一种,补偿量响应快,开关损耗小,而且不用载波,在逆变器的输出中不含特定频率的谐波分量。缺点是系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度会受滞环带宽影响。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。
2 三角波比较PWM控制方式
三角载波比较的跟踪控制方法是最简单的一种控制方法。
该方式将补偿电压的指令信号U*c与实际的补偿电压信号Uc进行比较,两者的偏差△Uc经放大器A之后再与三角波比较,所得到的矩形脉冲作为变流器各开关元件的控制信号,从而在变流器输出端获得所需的波形。放大器A往往采用比例放大器或比例积分放大器。这样组成的一个控制系统是基于把△Uc控制为最小来进行设计的。该调制方法的最大优点是开关频率固定,简单易行,响应速度快,对具有足够高开关频率的系统有良好的控制特性,缺点是输出波形中含有与三角载波相同频率的高频畸变分量,开关损耗较大,在大功率应用中受到限制。
3 无差拍控制
无差拍控制是一种建立在精确数学模型与严密数学推导之上的状态反馈控制,控制质量很大程度上依赖于控制器参数与主电路参数的配合。无差拍控制的主要特点是采用预测的手段,其基本思想是根据在第K个采样时刻所检测的负载电流和补偿电流,计算第K+l时刻的指令电流值和各种可能开关状态下补偿电流的预测值。然后计算某种特定的目标函数(一般为指令值和预测值的累计误差),选择目标函数最小的开关状态作为K+l时刻的开关依据。这种控制方法的动态性能好,可以消除稳态误差,并且能在最短的时间内结束过渡过程,它的缺点是对模型参数敏感而且鲁棒性差。另外控制器参数是根据主电路元件标称参数计算得到的,标称参数与元件的实际参数存在着一定的差,且受温度、运行条件的影响会有一定的漂移,这样就会导致控制器参数与主电路参数不能很好地配合,从而引起系统极点改变,破坏无差拍控制条件。
4 单周控制
单周控制是一种非线性控制法,将非线性控制的本质与开关电路有机的结合,可以实现快速的瞬态响应。这种方法的基本思想是:控制开关占空比,在每个周期内使开关变量的平均值与控制参考值相等或成一定比例,从而消除稳态和瞬态误差,使前一周期的误差不会带到下一周期,实现对控制参考的瞬时跟踪。
单周控制法作为一种新型非线性控制法,具有结构简单、控制精度高、响应速度快,特别是具有控制性能对系统和电源参数变化不敏感等优点,克服了传统的PWM控制方法的不足,适用于各种脉宽调制、软开关、谐振开关等开关逆变器,用用于有源电力滤波器控制时,具有不需要检测、可分离畸变信号和控制电路简单等优点。
5 最优矢量控制
最优矢量控制方法选取最优的空间电压矢量,对电流(电压)偏差微分矢量进行控制,从而实现对电流(电压)偏差矢量的控制。在获得电流(电压)的快速响应的同时,抑制了输出电流(电压)的高次谐波,降低了功率器件的工作频率,降低了有源滤波器的损耗。
6 结束语
本文对有源电力滤波器主要的几种PWM信号控制方法进行了介绍和比较,另外PWM信号控制方法还有空间矢量控制法、模糊逻辑控制法、自适应控制法以及学习控制法等,它们在应用中都各有优势和不足。在实际应用中一般根据侧重点以及具体环境、条件的不同而选择最适合的方法。
