有源滤波器的PWM调制失败分析及改进研究

拟投期刊：有源电力滤波器的PWM调制失败分析及改进研究李红1,吴婷2 （兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃省,兰州市，730070 ）摘 要：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, 简称PWM）对有源滤波器的直流侧电容电压的稳定有关键作用，其受扰对APF的影响是明显的。但在PWM调制过程中，因为延时的存在使得发生了PWM调制失败现象，为了消除这种延时。文中提出了一种改进的谐波检测法，同时进行了仿真和实验验证。关键词：PWM；PWM调制；调制失败；改进的谐波检测法 中图分类号：TN 713 文献标识码：APWM Modulation Failure Analysis and Improvement Research of Active Power FilterLI Hong1, WU Ting2（Lan Zhou Jiao Tong University ,Lanzhou 730070,Gansu LI Hong,hong_0927163.com）Abstract：Pulse width modulation (PWM) has a key role for dc side capacitor voltage stability of active filter, the disturbance of the influence on APF is obvious. But because of the existence of delay makes the PWM modulation failures occur in the process of PWM modulation, so in order to eliminate the time delay. In this paper, we proposed an improved harmonic test, meanwhile has carried on the simulation and experimental validation.Keywords: PWM, PWM modulation, Modulation of failure, improved harmonic test1 引 言有源电力滤波器(active power filter，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，被认为是谐波治理中最有前途的滤波手段。有源滤波器的调制方法中，三角载波控制是最简单的一种方法，通过将从检测环节得到的实际电流值与参考值之间的偏差与选定的三角载波进行比较，所得到的矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号，从而在逆变器输出端获得所需要的电压波形1，2。一般为了可以减少实际工程中的一些繁琐问题，会对三相并联型有源电力滤波器的控制器进行设计，而往往在设计中大多数采用的是PI控制器和直接电流控制PWM调制策略，将这两者有效的结合，可以使得电路中被检测到的谐波得到抑制，电源电流以正弦波形式流动3。虽然这样的组合很完美，但是在进行直流电流控制PWM调制的时候，由于存在着一定的延时，会造成PWM调制失败，如果不对其进行改善，会直接影响电源电流波形和输出电压波形。本文对PWM调制失败的原因做了详细地分析，针对PWM调制失败提出了它的改善方法。设计了改进的谐波检测法，进行了仿真验证和实验验证，验证结果显示这种改进方法有效的解决了因延时产生的PWM调制失败。2 PWM调制分析PWM调制是利用效应原理实现的，即大小、波形不同的窄脉冲变量作用在惯性系统时，只要它们的冲量，即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。PWM调制就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列,以实现变频、变压及控制和消除谐波为目标的一门技术4,5。若采用正弦调制波为：(1)式中：为调制度，；为正弦信号波角频率。根据采样说明图1所示。则有如下的关系式：(2)由式(2)可得：(3)图1 采样法说明图在一个三角波周期范围内，脉冲两边的间隙宽度为：(4)通过式(3)和式(4)的计算，就可以得出在一个三角波周期内产生的PWM波形。 3 PWM调制失败的分析有源滤波器的PWM调制策略可归结为在指令电流已知的情况下，如何控制变流器桥臂的状态，使电源电流能跟随指令电流变化，使跟随误差与开关频率的综合指标最优6。一般采用PWM调制进行直流侧输出电压波形的控制，但是还要考虑到APF直流侧电容影响，电容电压值决定了APF系统的谐波电流跟踪能力，取值过低，不能将谐波电流完全消除；取值越高，虽有利于对谐波电流的跟踪，且补偿效果(特别是对高次谐波的补偿效果)也越好，但它会增大逆变器和电容器的容量值，因此PWM调制失败会导致电容电压发生变化。 3.1 PWM调制失败的原因分析PWM控制信号的生成，当采用规则采样法的三角载波比较法时。根据PWM控制的基本原理，要想使逆变器产生足够大小的补偿电压，其直流侧的电压不能太小。在第一节中分析了PWM波形的计算方法，将其对应于有源滤波器的逆变电路中，一般在推导时使用的调制信号是定常信号（直流信号），但只要PWM载波频率远大于调制信号的最大频率(在实际应用中，这也是获得良好的调制效果所必须的)，就可以推广到任意信号的调制。在这里使用定常信号，可得出在一个采样周期内逆变器直流侧电容电压为7：且 (5)式中，为调制波幅值；为三角载波幅值。我们可将式5的右边换成调制波的幅值，即 且(6)：逆变器交流侧的电压最大值，也即逆变器参考指令信号的最大值。对于调制度的表示为：(7)理论上，调制度越大，PWM的调制效果越好，对应的直流侧电压越小对逆变器开关管电压等级的要求越低。但是，在实际工程应用当中，信号采样、数据处理等物理过程不可避免地会引入延时，在采用数字法实现PWM调制时，由于延时的客观存在限制了的最大值，会发生PWM调制失败的现象。3.2 解决PWM调制失败的措施图2所示出为PWM调制失败的情形8。图2中时刻是上一个周期的结束时刻，从一个新的采样周期开始，PWM调制周期也开始计时。假设由该采样周期计算出的调制信号与三角载波相交于M点，且M点对应于时刻，那么在时刻，PWM信号的状态应该跳变。但是，由于延时的存在，调制信号在时刻才能计算准备好。此时，已经错过了调制信号和三角载波的相交时刻PWM信号状态应该跳变却没有跳变，导致本周期发生PWM调制失败。图2 PWM调制失败因此，为了避免上述PWM调制失败现象的发生，通常限制的大小，使得当调制信号取到负的最大值时，调制信号和三角载波的相交时刻点不应早于调制信号计算准备好的时刻点。考虑极端情况，调制信号取到负的最大值。假设调制信号和三角载波的相交时刻点正好落在调制信号计算准备好的时刻点，则由相似三角形定理可得： (8)式中：信号采样、数据处理等物理过程引入的延时时间。针对此现象，提出了改进的谐波检测法。4 改进的谐波检测法传统的基于瞬时无功功率理论的 法的是利用锁相环PLL产生一个与A相网侧电压同相的正/余弦信号和，根据以上理论可计算得出和，经LPF滤波后得到直流分量和，经过反变换可得到各相基波正序分量、，分别与电流、相减，即可得到各相的谐波电流分量、。其原理图如图3所示。图3 原理图为了进一步改善系统中存在的延时，这里使用的改进的谐波检测法，此方法是将传统方法红的低通滤波器用一个积分延时增益模块代替，改进模块如图4所示。图4 改进的模块改进的法使得运行周期提高到电源周期的T/6，即这种方法可先T/6个周期达到稳定状态，其与传统的 谐波检测法相比，改进了运行过程中产生的延时。5 仿真分析为了证明以上使用的新的方法的正确性，利用MATLAB/SIMULINK做了仿真验证，仿真电路中三相电源电380V/50HZ，电源电阻R为0.0312，电源电感L为6.63e-5H，非线性负载阻值R=15 ，L=2e-3H，APF模块中交流侧电阻R=0.1，L=2mH，逆变器直流侧电容值为C=6800uF。图5为PWM产生仿真电路。图5 仿真电路图6（a）所示为PWM调制失败产生的波形和脉冲，图6（b）所示为使用改进的谐波检测法后PWM调制产生的波形和脉冲。（a）PWM调制失败 （b）PWM调制改进图6 仿真波形从仿真波形可以看出，由于延时产生的PWM调制失败直接可以影响到脉冲信号的产生，同时脉冲信号又驱动APF逆变器的工作，故其对APF直流侧电压起着重要的作用。6 实验验证实验基于380V/66KVA APF样机。实验条件为：三相交流电压AC380V/50Hz，IGBT开关频率6.4kHz，非线性负载阻值30，电感值10mH，逆变器直流侧电容值6800uF，直流侧给定电压值600V。控制环节采用PI控制器调节，谐波检测算法采用基于瞬时无功功率理论的改进的检测法，电流跟踪控制采用PWM调制法。图7所示为APF所产生的补偿电流和直流侧电容电压波形。图8所示为样机显示波形。黄线为直流侧电容电压波形，蓝线为电源电压波形。图7 实验波形从实验结果可以看出，在使用改进的谐波检测法后，产生了较稳定的补偿电流和直流侧电压波形，故采用这种改进的谐波补偿法改善了PWM调制失败，进而使得APF的电容电压受到的影响减小了。（a）改进前直流侧电容电压波形和电源电压波形(b)改进后直流侧电容电压波形和电源电压波形图8 样机波形7 结 语改进的谐波检测方法响应速度快，检测延时小，可以快速准确地检测出每相的谐波和无功电流，而且实时跟踪性能比较好，这样就可以使得PWM调制波能够快速和稳定的与三角波进行比较，大大地减小了两者之间的延迟时间，调制度增大，输出电压达到稳定控制，进一步促进了PWM调制失败的改善。这种方法在APF的实际应用中将会有很大的帮助。参考文献1 王建勋，刘会金，韩丰收，王占雷.一种时频混合方法用于谐波间谐波在线监测J.电网技术，2012 ， 36 (10)：229-234. 2 Hongbo Li, Kai Zhan g, and Hui Zhao,” Active DC-Link Power Filter for Single Phase PWM Rectifiers” 8th International Conference on Power Electronics - ECCE AsiaMay 30-June 3, 2011, The Shilla Jeju, Korea 3 Dehong Xu, Hongxing Fang,” Active Power Filter with Optimal DC Side Condenser” IEEE Symposium on Business, Engineering and Industrial Applications,pp.7-12,2012. 4 刘威葳，丁洪发，段献忠有源电力滤波器选择性谐波电流控制策略J中国电机工程学报，2011，31(27)：14-20 5 孙华,张晓.三电平APF直流侧电容电压控制研究J.电力电子技术,2011,45(5):49-51.6 Fang Hong juan, Yang Rongfeng and Yu Yannan,” A Study on the DC Voltage Control Techniques of Cascaded Multilevel APF” 2012 IEEE 7th International Power Electronics and Motion Control Conference - ECCE Asia June 2-5, 201