关于SPWM、pwm、有源滤波、电流跟踪控制等的英文文献及其中文翻译

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有源电力滤波器控制策略综述 李建林，张仲超 (浙江大学玉泉校区，浙江 杭州 310027） 摘 要： 针 对 空 间 矢 量 最 优 控 制 、 定 频 滞 环 电 流 控 制 、 单 周 控 制 、 变 结 构 控 制 等 几 种 目 前 在 有 源 电 力 滤 波 器 （ APF） 控 制 中 较 新 、 应 用 较 广 的 方 法 进 行 了 对 比 分 析 ， 指 出 了 它 们 各 自 的 优 缺 点 及 应 用 范 围 。 提 出 了 基 于 单 位 功 率 因 数 (UPF)控 制 和 组 合 变 流 器 相 移 SPWM两 种 控 制 策 略 ， 并 进 行 了 仿 真 验 证 。 关键词： 单 周 控 制 ； 变 结 构 控 制 ； 单 位 功 率 因 数 控 制 ； 组 合 变 流 器 相 移 SPWM 1 引 言 近 年 来 ， 随 着 电 力 电 子 技 术 的 发 展 ， 电 力 电 子 装 置 的 应 用 越 来 越 广 ， 它 所 产 生 的 谐 波 和 无 功 功 率 给 电 网 带 来 的 各 种 危 害 也 越 来 越 大 。 为 了 抑 制 高 次 谐 波 和 补 偿 无 功 功 率 ， 近 几 年 出 现 了 许 多 新 型 的 无 功 补 偿 装 置 和 有 源 滤 波 系 统 。 这 些 装 置 虽 然 各 有 不 同 ， 但 有 一 点 是 共 同 的 ， 即 要 求 准 确 快 速 地 检 测 出 谐 波 和 无 功 功 率 ， 从 而 实 现 快 速 补 偿 。 有 源 电 力 滤 波 器 （ APF） 的 关 键 技 术 之 一 就 是 逆 变 器 的 PWM技 术 ， 目 前 常 用 的 PWM技 术 有 ： 1） 基 于 正 弦 波 对 三 角 波 调 制 的 SPWM技 术 ； 2） 基 于 消 除 特 定 次 数 谐 波 的 HEPWM技 术 ； 3） 基 于 电 流 滞 环 跟 踪 控 制 的 PWM技 术 。 第 一 种 方 法 适 用 于 模 拟 系 统 ， 在 微 机 控 制 系 统 中 很 少 采 用 ； 第 二 种 方 法 需 要 预 先 计 算 出 要 消 除 的 若 干 次 指 定 谐 波 ， 在 负 载 经 常 变 化 的 情 况 下 ， 跟 随 特 性 难 以 保 证 ； 第 三 种 方 法 比 较 适 合 微 机 控 制 ， 其 原 理 为 实 时 检 测 逆 变 器 的 输 出 、 并 与 跟 踪 目 标 进 行 比 较 ， 当 偏 差 超 出 允 许 的 边 带 时 ， 控 制 器 动 作 ， 使 偏 差 减 小 。 一 般 来 说 ， 波 形 质 量 ， 开 关 损 耗 ， 电 压 利 用 率 等 是 衡 量 PWM方 法 的 几 个 重 要 指 标 ， 随 着 现 代 大 功 率 器 件 开 关 频 率 的 不 断 提 高 ， 波 形 质 量 问 题 己 得 到 了 较 好 的 解 决 ， 而 开 关 损 耗 问 题 却 日 益 严 重 ， 以 电 路 拓 扑 改 进 为 代 表 的 软 开 关 技 术 在 解 决 开 关 损 耗 问 题 的 同 时 也 带 来 电 路 结 构 复 杂 化 的 问 题 ， 对 复 杂 电 路 尤 其 如 此 。 所 以 ， 如 何 从 PWM控 制 方 法 的 优 化 上 减 小 开 关 损 耗 ， 是 一 个 值 得 探 讨 的 问 题 。 针 对 APF的 控 制 ， 相 关 文 献 提 出 了 各 种 控 制 方 法 ， 如 正 弦 三 角 波 调 制 ， 代 价 函 数 最 小 PWM法 和 空 间 矢 量 PWM法 、 单 周 控 制 、 无 差 拍 控 制 、 变 结 构 控 制 等 。 这 里 简 单 介 绍 几 种 较 好 、 较 新 的 控 制 方 法 。 2 各 种 控 制 策 略 综 述 2. 1 空 间 矢 量 最 优 控 制 空 间 电 压 矢 量 法 (SVPWM)也 叫 磁 通 正 弦PWM法 。 它 以 三 相 对 称 正 弦 波 电 压 供 电 时 交 流 电 动 机 的 理 想 磁 通 圆 为 基 淮 ， 用 逆 变 器 不 同 的 开 关 模 式 所 产 生 实 际 磁 通 去 迫 近 基 准 圆 磁 通 。 由 它 们 的 比 较 结 果 决 定 逆 变 器 的 开 关 ， 形 成 PWM波 形 。 此 法 从 电 动 机 的 角 度 出 发 ， 把 逆 变 器 和 电 机 看 作 一 个 整 体 ， 使 电 机 获 得 幅 值 恒 定 的 圆 形 磁 场 。 通 过 控 制 磁 通 或 电 压 矢 量 导 通 时 间 ， 用 尽 可 能 多 的 多 边 形 磁 通 去 逼 近 正 弦 磁 通 。 具 体 方 法 又 分 为 磁 通 开 环 式 和 磁 通 闭 环 式 。 磁 通 开 环 法 用 两 个 非 零 矢 量 和 一 个 零 矢 量 合 成 一 个 等 效 的 电 压 矢 量 ， 若 采 样 时 间 足 够 小 ， 可 合 成 任 意 电 压 矢 量 。 此 法 输 出 电 压 正 弦 波 调 制 时 提 高 l5％ ， 谐 波 电 流 有 效 值 之 和 接 近 最 小 。 磁 通 闭 环 式 引 入 磁 通 反 馈 ， 控 制 磁 通 的 大 小 和 变 化 的 速 度 。 在 比 较 估 算 磁 通 和 给 定 磁 通 后 ， 根 据 误 差 决 定 产 生 下 一 个 电 压 矢 量 ， 形 成 PWM波 形 。 这 种 方 法 克 服 了 磁 通 开 环 法 的 不 足 ， 解 决 了 电 机 低 速 时 ， 定 子 电 阻 影 响 大 的 问 题 ， 减 小 了 电 机 的 脉 动 和 噪 音 。 有 的 学 者 提 出 一 种 应 用 于 新 型 三 电 平 PWM高 频 整 流 系 统 的 电 压 空 间 矢 量 PWM调 制 控 制 方 式 [1]， 使 得 系 统 不 仅 能 控 制 有 功 功 率 的 传 输 ， 而 且 能 提 供 无 功 功 率 的 吞 吐 。 它 不 仅 优 化 开 关 矢 量 ， 降 低 开 关 频 率 ， 提 高 直 流 侧 电 压 利 用 率 ， 减 小 AC侧 输 入 电 流 的 总 谐 波 畸 变 率 ， 而 且 在 中 点 电 位 控 制 方 面 也 易 于 实 现 。 将 开 关 矢 量 划 分 为 4类 ： 小 开 关 矢 量 ， 零 开 关 矢 量 ， 中 开 关 矢 量 ， 大 开 关 矢 量 （ 见 图 1） 。 开 关 矢 量 选 择 及 优 化 的 原 则 如 下 ： 1) 为 了 优 化 开 关 频 率 ， 开 关 矢 量 选 择 应 该 是 每 次 开 关 矢 量 变 化 时 ， 只 有 一 个 开 关 函 数 变 动 ， 而 且 变 动 值 循 环 ； 2) 在 一 个 开 关 周 期 中 ， 开 关 矢 量 的 选 择 是 对 称 的 ； 3) 零 矢 量 或 等 效 零 矢 量 的 作 用 时 间 是 等 分 分 配 的 ； 4) 考 虑 正 开 关 矢 量 和 负 开 关 矢 量 的 协 调 作 用 来 平 衡 中 点 电 位 的 浮 动 。 基 于 电 压 矢 量 的 控 制 方 法 本 身 就 有 较 高 的 直 流 电 压 利 用 率 和 控 制 精 度 ， 利 用 该 方 法 能 方 便 地 判 定 参 考 电 压 矢 量 所 在 区 域 ， 从 而 应 用 最 优 电 压 矢 量 进 行 控 制 ， 使 得 SVPWM性 能 进 一 步 提 高 。 2． 2 滞 环 电 流 控 制 滞 环 电 流 控 制 是 一 种 简 单 的 Bang? bang控 制 ， 它 集 电 流 控 制 与 PWM于 一 体 。 实 际 电 流 与 指 令 电 流 的 上 、 下 限 相 比 较 ， 交 点 作 为 开 关 点 。 指 令 电 流 的 上 、 下 限 形 成 一 个 滞 环 。 滞 环 电 流 控 制 具 有 以 下 特 点 ： 1） 滞 环 电 流 控 制 是 基 于 电 流 暂 态 的 控 制 ， 具 有 动 态 响 应 速 度 快 、 鲁 棒 性 好 的 优 点 ； 2） 滞 环 电 流 控 制 本 质 是 一 种 隐 含 载 波 的 变 频 SPWM调 制 方 式 ， 在 三 相 高 功 率 因 数 整 流 器 中 ， 滞 环 控 制 的 隐 含 载 波 频 率 随 电 网 电 压 做 周 期 性 变 化 ， 变 化 频 率 为 工 频 的 2倍 ； 3） 滞 环 电 流 控 制 输 出 频 谱 范 围 宽 ， 滤 波 较 困 难 ， 谐 波 能 量 均 匀 分 布 在 较 宽 的 频 带 范 围 内 。 该 方 法 将 指 令 电 流 值 与 实 际 补 偿 电 流 的 差 值 输 入 到 具 有 滞 环 特 性 的 比 较 器 中 ， 然 后 用 比 较 器 的 输 出 来 控 制 逆 变 器 的 开 关 器 件 。 与 三 角 载 波 控 制 方 式 相 比 ， 该 方 法 开 关 损 耗 小 ， 动 态 响 应 快 。 但 是 ， 该 方 法 使 开 关 频 率 变 化 较 大 ， 容 易 引 起 脉 冲 电 流 和 开 关 噪 声 。 后 来 ， 为 限 定 开 关 频 率 的 最 大 值 而 提 出 了 变 滞 环 带 宽 的 改 进 算 法 ， 这 必 将 影 响 响 应 速 度 和 补 偿 电 流 跟 踪 精 度 。 为 了 解 决 滞 环 电 流 控 制 变 频 的 缺 点 ， 仍 有 不 少 学 者 在 探 索 改 进 的 方 案 ， 比 如 ： 限 制 最 高 开 关 频 率 ， 通 过 改 变 滞 环 宽 度 实 现 恒 频 控 制 等 。 目 前 应 用 于 有 源 滤 波 器 的 电 流 控 制 方 法 一 般 有 两 类 ， 即 滞 环 电 流 控 制 方 法 和 三 角 波 电 流 控 制 方 法 。 前 者 精 度 较 高 且 响 应 快 ， 但 开 关 频 率 可 能 波 动 很 大 ， 后 者 开 关 频 率 恒 定 ， 装 置 安 全 性 较 高 ， 但 响 应 较 慢 ， 精 度 较 低 。 而 基 于 电 压 矢 量 的 控 制 方 法 有 较 高 的 直 流 电 压 利 用 率 和 控 制 精 度 。 为 解 决 既 能 保 持 恒 定 的 开 关 频 率 ， 有 较 高 的 直 流 电 压 利 用 率 ， 又 能 同 时 提 高 有 源 滤 波 器 性 能 和 效 率 的 难 题 ，有 人 提 出 一 种 新 的 基 于 优 化 电 压 矢 量 的 有 源 滤 波 器 定 频 滞 环 电 流 控 制 方 法 [2]。 它 的 主 要 原 理 是 保 持 一 相 开 关 合 于 下 臂 不 动 ， 用 其 余 两 相 开 关 去 独 立 控 制 相 应 的 相 间 电 流 ， 并 不 需 要 估 计 阻 抗 参 数 ， 便 能 实 现 两 相 解 耦 ， 进 而 在 传 统 的 滞 环 控 制 中 实 现 了 开 关 定 频 。 该 方 法 的 特 点 ， 一 是 能 快 速 正 确 判 定 参 考 电 压 矢 量 的 区 域 ， 从 而 选 择 优 化 电 压 矢 量 去 控 制 电 流 ， 二 是 可 选 择 逆 变 器 中 的 两 个 适 当 的 开 关 去 独 立 控 制 相 应 的 两 个 相 间 电 流 ， 不 需 估 计 阻 抗 值 即 可 实 现 开 关 定 频 化 。 在 达 到 较 高 的 控 制 精 度 、 保 证 较 高 的 输 出 电 压 的 同 时 ， 还 实 现 了 开 关 的 定 频 化 ， 从 而 使 有 源 滤 波 器 的 综 合 性 能 有 明 显 提 高 。 2. 3 单 周 控 制 单 周 控 制 法 ， 又 称 积 分 复 位 控 制 （ Integration Reset Control， 简 称 IRC） 作 为 一 种 非 线 性 控 制 法 ， 最 早 由 美 国 学 者 Keyue M.Smedley和 S1obodan Cuk提 出 。 该 技 术 同 时 具 有 调 制 和 控 制 的 双 重 性 ， 通 过 复 位 开 关 、 积 分 器 、 触 发 电 路 、 比 较 器 达 到 跟 踪 指 令 信 号 的 目 的 。 单 周 控 制 器 由 控 制 器 、 比 较 器 、 积 分 器 及 时 钟 组 成 ， 其 中 控 制 器 可 以 是 RS触 发 器 ， 其 控 制 原 理 如 图 2所 示 。 图 2中 ， K可 以 是 任 何 物 理 开 关 ， 也 可 是 其 它 可 转 化 为 开 关 变 量 形 式 的 抽 象 信 号 。 单 周 控 制 法 作 为 一 种 新 型 非 线 性 控 制 技 术 ， 它 可 应 用 于 PWM控 制 、 软 开 关 等 。 这 种 方 法 的 基 本 思 想 是 控 制 开 关 占 空 比 ， 在 每 个 周 期 内 强 迫 开 关 变 量 的 平 均 值 与 控 制 参 考 量 相 等 或 成 比 例 。 单 周 控 制 在 控 制 电 路 中 不 需 要 误 差 综 合 ， 它 能 在 一 个 周 期 内 自 动 消 除 稳 态 、 瞬 态 误 差 ， 前 一 周 期 的 误 差 不 会 带 到 下 一 周 期 ， 因 此 ， 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 等 开 关 逆 变 器 ， 具 有 反 应 快 、 开 关 频 率 恒 定 、 鲁 棒 性 强 、 易 于 实 现 、 控 制 电 路 简 单 等 优 点 ， 此 外 ， 单 周 控 制 还 能 优 化 系 统 响 应 、 减 小 畸 变 和 抑 制 电 源 干 扰 ， 是 一 种 很 有 前 途 的 控 制 方 法 。 在 DC/DC变 换 器 中 已 经 得 到 充 分 的 研 究