并聯(lián)型有源濾波器的死區(qū)效應(yīng)及其補(bǔ)償策略研究

并聯(lián)型有源濾波器的死區(qū)效應(yīng)及其補(bǔ)償策略研究
余鳳兵，梁冠安，鐘龍翔
（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）

摘要：分析了三相四線制有源電力濾波器中逆變器的死區(qū)效應(yīng)對(duì)其補(bǔ)償性能的影響，研究了電流反饋控制和無死區(qū)控制兩種補(bǔ)償策略用于上述有源電力濾波器死區(qū)補(bǔ)償?shù)目尚行裕⑼ㄟ^仿真對(duì)兩種方法的補(bǔ)償效果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，兩者均能有效補(bǔ)償死區(qū)效應(yīng)的影響；但在實(shí)現(xiàn)的難易程度和成本方面，無死區(qū)控制策略有一定優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；死區(qū)效應(yīng)；電流反饋型補(bǔ)償；無死區(qū)補(bǔ)償
中圖分類號(hào)：             文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：
Study on Dead-time Effect of the parallel active power filter and Its Compensation Strategies
YU Feng-bing，LIANG Guan-an，ZHONG Long-xiang
(Electric Power College , South China Univ . of Tech . ,Guangzhou 510640 , China )
Abstract：This paper analyzes the dead-time effects of the inverter in 3-phase 4-wire Active Power Filter(APF) and its influence on the compensation performance of the APF. A study on the feasibility of adopting two kinds of dead-time effect compensation strategies—current feedback and no dead-time to the APF is also presented. The simulation results show that both strategies can compensate the influence effectively. However, the strategy of no dead-time provides certain superiority in the light of the complexity and cost.
Key words：Active Power Filter； dead-time effect；current feedback compensation； no dead-time compensation

1  常用的并聯(lián)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(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置得到了迅速發(fā)展。其中，并聯(lián)型APF由于具有效率高、成本低、易控制等優(yōu)點(diǎn)而成為研究重點(diǎn)[1]，常用的并聯(lián)型三相四線制APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 并聯(lián)型三相四線制APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
并聯(lián)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(wǎng)側(cè)注入抵消負(fù)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(guān)器件發(fā)生“直通”現(xiàn)象，在同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管開通與關(guān)斷之間必須設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間。而死區(qū)的存在使得電壓型逆變器不能精確實(shí)現(xiàn)控制算法，從而影響APF的補(bǔ)償性能。
本文詳細(xì)分析了并聯(lián)型三相四線制APF死區(qū)效應(yīng)的的形成及其影響，研究了相應(yīng)的死區(qū)補(bǔ)償策略，對(duì)提高APF的補(bǔ)償性能有一定的參考價(jià)值。
2  死區(qū)效應(yīng)分析
在圖1中，由于三相橋臂相互獨(dú)立，故以A相來分析死區(qū)時(shí)間的存在對(duì)APF補(bǔ)償性能的影響，如圖2所示。圖2中， 是負(fù)載電流； 是APF輸出的補(bǔ)償電流； 為補(bǔ)償后的電源電流。

圖2  并聯(lián)型三相四線制APF的A相電路
假定開關(guān)管均為理想開關(guān)（開通與關(guān)斷是瞬時(shí)完成的，且通態(tài)壓降為零），則在死區(qū)時(shí)間 內(nèi)，S1和S2都處于關(guān)斷狀態(tài)，逆變器輸出補(bǔ)償電流只能由反并聯(lián)二極管D1或D2來續(xù)流。規(guī)定電流由橋臂流出時(shí)為正方向。當(dāng) ＞0時(shí)，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)， 只能通過D2來續(xù)流，Ａ點(diǎn)電壓被鉗位在－Uc/２。此時(shí)，若S1由導(dǎo)通到關(guān)斷、S2由關(guān)斷到導(dǎo)通，則理想情況下Ａ點(diǎn)電壓應(yīng)為－Uc /２，因而此時(shí)死區(qū)的存在對(duì)APF輸出沒有影響；若S1由關(guān)斷到導(dǎo)通、S2由導(dǎo)通到關(guān)斷，則理想情況下Ａ點(diǎn)電壓應(yīng)為Uc／２，而實(shí)際電壓為－Uc /２，因而與理想情況相比，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，A點(diǎn)電壓相當(dāng)于增加了一個(gè)幅值為Uc、寬度為 負(fù)脈沖。同理可以分析 ＜0時(shí)的情況，當(dāng)S1由導(dǎo)通到關(guān)斷、S2由關(guān)斷到導(dǎo)通時(shí)，A點(diǎn)電壓相當(dāng)于增加了一個(gè)幅值為Uc、寬度為 正脈沖；當(dāng)S1由關(guān)斷到導(dǎo)通、S2由導(dǎo)通到關(guān)斷時(shí)，死區(qū)對(duì)APF輸出沒有影響。死區(qū)效應(yīng)波形圖如圖3所示。

（a）理想驅(qū)動(dòng)波形       （b）實(shí)際驅(qū)動(dòng)波形
（c）理想輸出波形       （d） >0時(shí)實(shí)際輸出波形
（e） >0時(shí)偏差電壓波形（f） <0時(shí)實(shí)際輸出波形
（g） <0時(shí)偏差電壓波形
圖3  死區(qū)效應(yīng)波形圖
由圖3 可以看出，加入死區(qū)時(shí)間后，APF橋臂中點(diǎn)輸出電壓與理想值之間產(chǎn)生一定的偏差，不計(jì)電壓的上升與下降時(shí)間，此偏差電壓可以看成一系列電壓脈沖，有如下特點(diǎn)：
(1) 每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)存在一個(gè)偏差電壓脈沖；
(2) 此偏差電壓脈沖幅值為 ，寬度為 ；
(3) 每個(gè)偏差電壓脈沖的極性與當(dāng)時(shí)輸出補(bǔ)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(duì)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(qū)效應(yīng)引起的偏差電壓； 為 與 的合成，即為實(shí)際輸出電壓； 為 與 的相位差。

圖4  死區(qū)效應(yīng)相量圖
由圖4 可以清楚地看出，死區(qū)效應(yīng)不僅影響APF輸出電壓的幅值，也對(duì)其相位產(chǎn)生影響。
以上分析是在假定開關(guān)管均為理想開關(guān)的情況下進(jìn)行的，而實(shí)際中，開關(guān)管的通態(tài)壓降和開關(guān)時(shí)間均是存在的，并且隨著溫度和電流的變化而變化。此外，當(dāng)輸出補(bǔ)償電流在死區(qū)時(shí)間內(nèi)續(xù)流至零時(shí)，由于二極管的正向?qū)ㄐ?，電流不再反向增大，在這段時(shí)間內(nèi)，A點(diǎn)電壓為零（不考慮開關(guān)特性差異），此時(shí)偏差電壓脈沖幅值為Uc /２，此現(xiàn)象稱為零電流鉗位現(xiàn)象[3]。總之，由于死區(qū)時(shí)間的加入，使得APF的輸出與理想值之間產(chǎn)生一定的偏差，這必然影響APF的補(bǔ)償性能。由分析可知，偏差量與開關(guān)頻率、死區(qū)時(shí)間 成正比，頻率越高、 越大，則偏差越大，對(duì)補(bǔ)償性能的影響越嚴(yán)重。因此，為了提高APF的補(bǔ)償性能，必須對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償。
3 死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)償策略分析
下面研究常用的電流反饋型補(bǔ)償策略和無死區(qū)補(bǔ)償策略用于并聯(lián)型三相四線制APF死區(qū)補(bǔ)償?shù)目尚行浴?
3.1  電流反饋型補(bǔ)償策略
這種方法的基本思想是通過對(duì)逆變器輸出電流的檢測并判斷其極性，將檢測結(jié)果送入控制器，控制器根據(jù)判斷出的電流極性來調(diào)整開關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度，從而產(chǎn)生一個(gè)與偏差電壓脈沖幅值和寬度相同、極性相反的補(bǔ)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(bǔ)償策略的原理圖。

(a)  電流反饋型補(bǔ)償策略原理圖

(b) 三角載波控制時(shí)死區(qū)補(bǔ)償電路原理圖
圖5  兩種補(bǔ)償策略原理圖
圖5（a）為電流反饋型補(bǔ)償策略的原理圖。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，死區(qū)電路的工作原理和參數(shù)設(shè)計(jì)隨著APF所采用的控制策略及其控制器參數(shù)的不同而不同。圖5(b)為傳統(tǒng)的三角載波線性控制時(shí)死區(qū)補(bǔ)償電路原理圖，工作過程如下：通過對(duì)逆變器輸出補(bǔ)償電流的檢測來判斷其極性，死區(qū)補(bǔ)償電路根據(jù)電流極性產(chǎn)生一個(gè)死區(qū)補(bǔ)償電壓與APF控制器中的參考電壓相加后與載波信號(hào)進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)脈沖的調(diào)節(jié)，進(jìn)而補(bǔ)償死區(qū)效應(yīng)的影響。對(duì)于其他控制方式如滯環(huán)控制、單周控制等都可以采用類似的方法來實(shí)現(xiàn)，本文不再熬述。
3.2  無死區(qū)補(bǔ)償策略
如圖6(a)所示，當(dāng) ＞0時(shí)， 只能經(jīng)S1或D2形成回路，此時(shí)，即使S2導(dǎo)通，由于其單向?qū)ㄐ裕?nbsp;也不會(huì)流經(jīng)S2，因而可以認(rèn)為此時(shí)S2的導(dǎo)通與關(guān)斷對(duì) 沒有影響，從而可以將其驅(qū)動(dòng)信號(hào)封鎖，使其在 ＞0時(shí)處于斷開狀態(tài)，僅控制S1的導(dǎo)通與關(guān)斷來調(diào)節(jié)逆變器的輸出電流；同理當(dāng) ＜0時(shí)，將S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)封鎖，僅對(duì)S2進(jìn)行控制來調(diào)節(jié)輸出電流，這種控制方法稱為無死區(qū)控制[6]。


(a)  無死區(qū)補(bǔ)償策略原理圖

(b) 無死區(qū)控制電路原理圖
圖6  無死區(qū)補(bǔ)償策略
圖6(b)為無死區(qū)控制電路原理圖，當(dāng) ＞0時(shí)，極性檢測輸出高電平，選通門U1選通，U2封鎖；當(dāng) ＜0時(shí)，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(jù)對(duì)兩種補(bǔ)償策略原理的分析可知，二者的共同之處是都需要對(duì)輸出電流進(jìn)行檢測來判斷其極性。圖7 給出了仿真結(jié)果。 

（a）負(fù)載電流波形

（b）不設(shè)死區(qū)時(shí)電源電流波形

（c）死區(qū)為5μs時(shí)電源電流波形

（d）電流反饋控制時(shí)的電源電流波形

（e）無死區(qū)控制時(shí)的電源電流波形
圖7  仿真結(jié)果
Fig.7  Simulation results
由仿真結(jié)果可以看出：①死區(qū)的存在對(duì)APF的補(bǔ)償性能有一定的影響；②上述兩種方法均能實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)效應(yīng)的有效補(bǔ)償。仿真是在Matlab6.5提供的Simulink平臺(tái)上進(jìn)行的，電流極性判斷采用關(guān)系運(yùn)算模塊來實(shí)現(xiàn)，從而可以認(rèn)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(qū)補(bǔ)償效果的首要條件。
二者的不同之處是它們消除死區(qū)效應(yīng)影響的機(jī)理截然不同，電流反饋型補(bǔ)償策略是在死區(qū)存在的前提下通過改變開關(guān)管的開通與關(guān)斷時(shí)間來實(shí)現(xiàn)輸出電流調(diào)節(jié)的，它需要將電流檢測信號(hào)送入APF的控制器，對(duì)控制器產(chǎn)生作用來調(diào)整開關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度，當(dāng)APF采用不同的控制策略或控制器參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，死區(qū)補(bǔ)償電路的參數(shù)也將隨之改變。因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須將二者結(jié)合起來考慮。而無死區(qū)補(bǔ)償策略是通過封鎖同一橋臂中某一只開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而對(duì)另一只開關(guān)管進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)輸出電流調(diào)節(jié)的，因而可以取消死區(qū)時(shí)間的設(shè)置，降低了控制電路的復(fù)雜性和成本；此外，該方法不會(huì)對(duì)控制器本身產(chǎn)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(qū)補(bǔ)償策略更適合用于對(duì)并聯(lián)型APF進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償。
4 結(jié)論
本文詳細(xì)分析了死區(qū)效應(yīng)對(duì)并聯(lián)型APF補(bǔ)償性能的影響，并對(duì)電流反饋型和無死區(qū)控制兩種死區(qū)補(bǔ)償策略用于并聯(lián)型APF死區(qū)補(bǔ)償?shù)目尚行赃M(jìn)行研究。仿真結(jié)果表明，二者均能對(duì)并聯(lián)型APF的死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行有效補(bǔ)償。從成本和可操作性來考慮，與電流反饋型補(bǔ)償策略相比，無死區(qū)補(bǔ)償策略具有一定的優(yōu)勢。
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作者簡介：
    余鳳兵（1980-），男，江蘇漣水人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)應(yīng)用與電能質(zhì)量。
    梁冠安（1947-），男，海南萬寧人，副教授，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)諧波治理及電力電子EMC技術(shù)