并联型有源滤波器的死区效应及其补偿策略
2011-03-25
死区效应对并联型APF补偿性能有所影响，本文对电流反馈型和无死区控制两种死区补偿策略用于并联型APF死区补偿的可行性进行研究。仿真结果表明，二者均能对并联型APF的死区效应进行有效补偿。从成本和可操作性来考虑，与电流反馈型补偿策略相比，无死区补偿策略具有一定的优势。
1 常用的并联型三相四线制APF简介
近年来，有源电力滤波器（Active Power Filter，简称APF）作为一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置得到了迅速发展。其中，并联型APF由于具有效率高、成本低、易控制等优点而成为研究重点。
并联型三相四线制APF的基本原理是通过某种算法来控制主电路中的电压型逆变器，使其向网侧注入抵消负载电流中的谐波和无功电流分量，从而使得电源电流只剩下基波有功分量，其波形为与电压同相的正弦波。然而，电压型逆变器存在直流电压母线，为了防止开关器件发生“直通”现象，在同一桥臂的两个开关管开通与关断之间必须设置一定的死区时间。而死区的存在使得电压型逆变器不能精确实现控制算法，从而影响APF的补偿性能。
本文详细分析了并联型三相四线制APF死区效应的的形成及其影响，研究了相应的死区补偿策略，对提高APF的补偿性能有一定的参考价值。
2 死区效应分析
由于三相桥臂相互独立，故以A相来分析死区时间的存在对APF补偿性能的影响，如图2所示。图2中， 是负载电流； 是APF输出的补偿电流； 为补偿后的电源电流。
假定开关管均为理想开关（开通与关断是瞬时完成的，且通态压降为零），则在死区时间 内，S1和S2都处于关断状态，逆变器输出补偿电流只能由反并联二极管D1或D2来续流。规定电流由桥臂流出时为正方向。当 ＞0时，在死区时间内， 只能通过D2来续流，Ａ点电压被钳位在－Uc/２。此时，若S1由导通到关断、S2由关断到导通，则理想情况下Ａ点电压应为－Uc /２，因而此时死区的存在对APF输出没有影响；若S1由关断到导通、S2由导通到关断，则理想情况下Ａ点电压应为Uc／２，而实际电压为－Uc /２，因而与理想情况相比，在死区时间内，A点电压相当于增加了一个幅值为Uc、宽度为 负脉冲。同理可以分析 ＜0时的情况，当S1由导通到关断、S2由关断到导通时，A点电压相当于增加了一个幅值为Uc、宽度为 正脉冲；当S1由关断到导通、S2由导通到关断时，死区对APF输出没有影响。死区效应波形图如图3所示。
（a）理想驱动波形 （b）实际驱动波形
（c）理想输出波形 （d） >0时实际输出波形
（e） >0时偏差电压波形（f） <0时实际输出波形
（g） <0时偏差电压波形
图3 死区效应波形图
由图3 可以看出，加入死区时间后，APF桥臂中点输出电压与理想值之间产生一定的偏差，不计电压的上升与下降时间，此偏差电压可以看成一系列电压脉冲，有如下特点：
(1) 每个开关周期内存在一个偏差电压脉冲；
(2) 此偏差电压脉冲幅值为 ，宽度为 ；
(3) 每个偏差电压脉冲的极性与当时输出补偿电流的极性相反。
图4通过相量图来说明此偏差电压脉冲对逆变器输出的影响。图中， 、 分别为逆变器在理想情况下的输出电压和电流，相为差为 ； 为死区效应引起的偏差电压； 为 与 的合成，即为实际输出电压； 为 与 的相位差。
死区效应不仅影响APF输出电压的幅值，也对其相位产生影响。
以上分析是在假定开关管均为理想开关的情况下进行的，而实际中，开关管的通态压降和开关时间均是存在的，并且随着温度和电流的变化而变化。此外，当输出补偿电流在死区时间内续流至零时，由于二极管的正向导通性，电流不再反向增大，在这段时间内，A点电压为零（不考虑开关特性差异），此时偏差电压脉冲幅值为Uc /２，此现象称为零电流钳位现象[3]。总之，由于死区时间的加入，使得APF的输出与理想值之间产生一定的偏差，这必然影响APF的补偿性能。由分析可知，偏差量与开关频率、死区时间 成正比，频率越高、 越大，则偏差越大，对补偿性能的影响越严重。因此，为了提高APF的补偿性能，必须对死区进行补偿。
3 死区效应的补偿策略分析
下面研究常用的电流反馈型补偿策略和无死区补偿策略用于并联型三相四线制APF死区补偿的可行性。
3.1 电流反馈型补偿策略
这种方法的基本思想是通过对逆变器输出电流的检测并判断其极性，将检测结果送入控制器，控制器根据判断出的电流极性来调整开关管驱动脉冲的宽度，从而产生一个与偏差电压脉冲幅值和宽度相同、极性相反的补偿电压脉冲，来抵消偏差电压的影响[4,5]。图5给出了两种补偿策略的原理图。
(a) 电流反馈型补偿策略原理图
(b) 三角载波控制时死区补偿电路原理图
图5 两种补偿策略原理图
图5（a）为电流反馈型补偿策略的原理图。在具体实现时，死区电路的工作原理和参数设计随着APF所采用的控制策略及其控制器参数的不同而不同。图5(b)为传统的三角载波线性控制时死区补偿电路原理图，工作过程如下：通过对逆变器输出补偿电流的检测来判断其极性，死区补偿电路根据电流极性产生一个死区补偿电压与APF控制器中的参考电压相加后与载波信号进行比较，从而实现驱动脉冲的调节，进而补偿死区效应的影响。对于其他控制方式如滞环控制、单周控制等都可以采用类似的方法来实现，本文不再熬述。
3.2 无死区补偿策略
如图6(a)所示，当 ＞0时， 只能经S1或D2形成回路，此时，即使S2导通，由于其单向导通性， 也不会流经S2，因而可以认为此时S2的导通与关断对 没有影响，从而可以将其驱动信号封锁，使其在 ＞0时处于断开状态，仅控制S1的导通与关断来调节逆变器的输出电流；同理当 ＜0时，将S1的驱动信号封锁，仅对S2进行控制来调节输出电流，这种控制方法称为无死区控制[6]。
(a) 无死区补偿策略原理图
(b) 无死区控制电路原理图
(b)为无死区控制电路原理图，当 ＞0时，极性检测输出高电平，选通门U1选通，U2封锁；当 ＜0时，极性检测输出低电平，选通门U1封锁，U2 选通。
3.3 两者的比较
根据对两种补偿策略原理的分析可知，二者的共同之处是都需要对输出电流进行检测来判断其极性。图7 给出了仿真结果。
（a）负载电流波形
（b）不设死区时电源电流波形
（c）死区为5μs时电源电流波形
（d）电流反馈控制时的电源电流波形
（e）无死区控制时的电源电流波形
Fig.7 Simulation results
由仿真结果可以看出：①死区的存在对APF的补偿性能有一定的影响；②上述两种方法均能实现对死区效应的有效补偿。仿真是在Matlab6.5提供的Simulink平台上进行的，电流极性判断采用关系运算模块来实现，从而可以认为不存在检测误差。因此，减小检测误差、提高检测精度是改善死区补偿效果的首要条件。
二者的不同之处是它们消除死区效应影响的机理截然不同，电流反馈型补偿策略是在死区存在的前提下通过改变开关管的开通与关断时间来实现输出电流调节的，它需要将电流检测信号送入APF的控制器，对控制器产生作用来调整开关管驱动脉冲的宽度，当APF采用不同的控制策略或控制器参数发生改变时，死区补偿电路的参数也将随之改变。因此在设计时必须将二者结合起来考虑。而无死区补偿策略是通过封锁同一桥臂中某一只开关管的驱动信号，而对另一只开关管进行控制来实现输出电流调节的，因而可以取消死区时间的设置，降低了控制电路的复杂性和成本；此外，该方法不会对控制仪器本身产生作用，适用于采用任何一种控制策略的APF，具有通用性。因此，无死区补偿策略更适合用于对并联型APF进行死区补偿。
分析了三相四线制有源电力滤波器中逆变器的死区效应对其补偿性能的影响，研究了电流反馈控制和无死区控制两种补偿策略用于上述有源电力滤波器死区补偿的可行性，并通过仿真对两种方法的补偿效果进行比较。结果表明，两者均能有效补偿死区效应的影响；但在实现的难易程度和成本方面，无死区控制策略有一定优势。
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