陳 艷，曹志平

（湖南工學(xué)院電氣與信息工程系，湖南衡陽421008）

1 引言

有源電力濾波器作為動態(tài)諧波治理裝置，是諧波治理技術(shù)的發(fā)展方向［1］-［2］，它對系統(tǒng)實(shí)時性要求很高。隨著高速開關(guān)器件的發(fā)展，基于電壓型逆變器的PWM技術(shù)廣泛應(yīng)用于有源電力濾波器主電路控制中。為了避免同一橋臂上下兩個開關(guān)器件同時導(dǎo)通而引入了死區(qū)的概念，但同時也帶來了對APF逆變器輸出電流的擾動，即所謂的死區(qū)效應(yīng)，從而降低了APF裝置的諧波補(bǔ)償效果［3］。本文在考慮死區(qū)效應(yīng)的情況下通過基于改進(jìn)規(guī)則采樣法對APF主電路進(jìn)行PWM調(diào)制，將調(diào)制得到的下橋臂關(guān)斷時間點(diǎn)提前，用以補(bǔ)償死區(qū)延時，從而進(jìn)一步改善APF裝置諧波抑制的效果。

2 死區(qū)延時產(chǎn)生的原因

有源濾波器的控制本質(zhì)上是對PWM逆變器的控制。當(dāng)APF的數(shù)字化控制器獲得控制信號之后，將該控制信號送入逆變器對功率開關(guān)進(jìn)行控制，這一階段也存在延時。主要有如下原因：首先是由于開關(guān)器件并非是理想的，控制信號得到響應(yīng)需要一段時間，即有源逆變器的開關(guān)時間，開通時間指延遲時間與上升時間之和，關(guān)斷時間一般指儲存時間和下降時間之和。該時間與選用的半導(dǎo)體開關(guān)器件類型密切相關(guān)，例如門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）延期時間一般為1-2μs，上升時間則隨陽極電流值的增大而增大，下降時間一般小于2μs，絕緣柵極雙極性晶體管（IGBT）的開關(guān)時間次之［4］。即使是同一種類型的半導(dǎo)體器件，其關(guān)斷時間和器件的功率水平、導(dǎo)通的飽和深度也有關(guān)系。另一個更為重要的原因是作為有源逆變器，為了避免上下橋臂直接貫通而短路，常常在上下橋臂中的一個管子關(guān)斷之后，另外一個管子導(dǎo)通之前，加上一定的死區(qū)時間。選用的半導(dǎo)體開關(guān)器件不同，要求的最小死區(qū)時間也不相同，死區(qū)時間要大于半導(dǎo)體開關(guān)器件的最大關(guān)斷時間。例如智能IGBT模塊-PM600HSA120,開關(guān)時間分別為ton＝2.5 μs，toff＝4 μs，最大開關(guān)頻率為 20 kHz。為保險起見，在實(shí)際應(yīng)用中死區(qū)時間一般都至少設(shè)定為5 μs以上。

3 死區(qū)延時對有源電力濾波器的影響

補(bǔ)償電流發(fā)生電路是并聯(lián)型有源電力濾波器中的一大組成部分。補(bǔ)償電流發(fā)生電路由電壓型PWM變流器及其相應(yīng)的驅(qū)動電路、電流跟蹤控制電路組成。現(xiàn)以電壓型PWM變流器C相橋臂為例研究死區(qū)延時對并聯(lián)型有源電力濾波器的影響。如圖1所示，Td為設(shè)定的死區(qū)時間，考慮到死區(qū)延時，將欲關(guān)斷的IGBT與理想波形同時關(guān)斷，而欲開通的IGBT延遲Td才開通，則在死區(qū)時間內(nèi)，IGBT T1和T2同時處于截止?fàn)顟B(tài)，負(fù)載電流ic通過續(xù)流二極管D1、D2續(xù)流而得到。設(shè)電流由逆變器向外流出時ic為正，電流流進(jìn)逆變器時ic為負(fù)，則在死區(qū)時間內(nèi)輸出電壓的大小與電流ic的方向有關(guān)。

圖1 電壓型PWM逆變器C相橋臂

由圖1可知：ic＞0時，負(fù)載電流通過D2續(xù)流，輸出電壓Uc＝-UDC/2；ic＜0時，負(fù)載電流通過D1續(xù)流，輸出電壓 Uc＝UDC/2。

而在理想情況下，同一橋臂上兩個IGBT的控制信號是互補(bǔ)的，即一個處于導(dǎo)通狀態(tài)時，另一個必須處于關(guān)斷狀態(tài)。

當(dāng) T2關(guān)斷，T1導(dǎo)通時，ic＞0，輸出電壓 Uco＝UDC/2；當(dāng) T1關(guān)斷，T2導(dǎo)通時，ic＜0，輸出電壓 Uco＝-UDC/2。

在死區(qū)時間Td內(nèi)，把實(shí)際電壓輸出和理想電壓輸出之間的差值作為c相的誤差電壓Ui，即Ui＝Uco-Uc，若忽略脈沖上升與下降的時間，Ui可看作是矩形波，其脈沖寬度是確定不變的，即死區(qū)時間Td，且Ui的幅值與電流 ic的方向有關(guān)，當(dāng) ic＞0 時，Ui＝U-Uc＝UDC；當(dāng) ic＜0 時，Ui＝Uco-Uc＝ -UDC。

如圖2所示為死區(qū)效應(yīng)的波形示意圖，（a）為c相橋臂理想輸出電壓Uco的波形（不含死區(qū)）,（b）為實(shí)際輸出電壓 Uc的波形，（c）給出了電流的方向，（d）表示c相誤差電壓。

由此可見，死區(qū)效應(yīng)引起的等效誤差方波是與PWM逆變器輸出的諧波補(bǔ)償電流是反相的，假設(shè)電壓型PWM逆變器載波比足夠高，且誤差電壓脈沖呈等間距分布，則等效誤差方波幅值Uk的大小可表示為：

式中：N為一個基波周期T內(nèi)的開關(guān)次數(shù)，fc為載波頻率。

圖2 死區(qū)效應(yīng)波形示意圖

由式（1）可知，方波的幅值與逆變器輸出電壓和電流的大小無關(guān)，而與載波頻率和死區(qū)時間成正比。若設(shè)載波頻率fc為12.8 kHz，死區(qū)時間為5μs,直流側(cè)電壓UDC為500 V，則誤差方波的幅值可達(dá)32 V，其對輸出的影響將不可忽略。

對于并聯(lián)型有源電力濾波器，其補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。而補(bǔ)償電流ic是由主電路中直流側(cè)電容電壓與交流側(cè)電源電壓的差值作用于電感上產(chǎn)生的［4］。

假設(shè)逆變器輸出的諧波補(bǔ)償電流ic是5次諧波，且仍以基波周期T為最小正周期，基波頻率為50 Hz。由上述分析可知，誤差方波是與PWM逆變器輸出的諧波補(bǔ)償電流是反相的，故其頻率相同，即為5×50＝250 Hz。則對誤差電壓Ui方波進(jìn)行傅立葉分析：

其中：Um為Ui的幅值，ω1為Ui方波的的角頻率。

由此可知，方波在5次諧波（250 Hz）附近的幅值較大，從而對逆變器的諧波輸出產(chǎn)生一定的影響，同時，其它頻率諧波的存在也將影響APF的補(bǔ)償效果。

從相位分析，加入死區(qū)延時以后逆變器實(shí)際輸出的諧波電壓、電流的相位比理想的波形要滯后［5］。

綜上所述，死區(qū)延時產(chǎn)生的誤差電壓對APF逆變器輸出諧波電流的幅值和相位都會產(chǎn)生消極影響，從而降低APF裝置的諧波補(bǔ)償效果。

4 基于改進(jìn)規(guī)則采樣法進(jìn)行PWM調(diào)制的死區(qū)補(bǔ)償方法

改進(jìn)規(guī)則采樣法是一種在規(guī)則采樣法基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)方法,這種方法具有比規(guī)則采樣法有更好的精確度的優(yōu)點(diǎn),更適合于工程應(yīng)用［6］。其原理圖如圖 3（a）所示。

圖3 改進(jìn)的規(guī)則采樣法

設(shè)三角波的周期為T，在相鄰兩個三角波負(fù)峰時刻ti和ti＋T對調(diào)制信號采樣而得到C點(diǎn)和D點(diǎn)，過C點(diǎn)和D點(diǎn)作一直線和三角波分別交于A點(diǎn)和B點(diǎn)，在A點(diǎn)的時刻t1和B點(diǎn)的時刻t2控制功率開關(guān)器件的通斷。

三角波的周期T和幅值K都是確定的，設(shè)調(diào)制信號在C點(diǎn)和D點(diǎn)的值分別為s1和s2,則可求得線段CD的方程為：

三角波兩腰的方程為：

聯(lián)合（4）-（6）,即得功率開關(guān)時間 t1和 t2的值為：

以逆變器C相橋臂為例，采用如圖3（a）所示的改進(jìn)規(guī)則采樣法進(jìn)行PWM調(diào)制，在ic＜0的情況下，死區(qū)效應(yīng)的影響相當(dāng)于上橋臂T1關(guān)斷和下橋臂T2開通時間按理想時間滯后Td，在考慮死區(qū)效應(yīng)的情況下，要使輸出為理想波形只需將調(diào)制得到的上橋臂關(guān)斷時間點(diǎn)t1提前Td即可。同樣，在ic＞0的情況下，也只需將調(diào)制得到的下橋臂關(guān)斷時間點(diǎn)t2提前Td即可。如圖3（b）所示。

即在 ic＜0 時，t1、t2的值改為

在 ic＞0 時，t1、t2的值改為

通過上述計算得出t1和t2的實(shí)際值t1′和t2′，從而可得到PWM控制信號脈寬數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

有源電力濾波器信號處理流程中的各個環(huán)節(jié)都存在一定的延時,死區(qū)延時可看作一種比較特殊的延時，同樣將降低濾波裝置的諧波治理效果，還可能導(dǎo)致某些高次諧波放大，甚至影響基于鋸齒載波的脈寬調(diào)制［7］。在通過改進(jìn)規(guī)則采樣法進(jìn)行PWM調(diào)制時，通過將調(diào)制得到的上下橋臂關(guān)斷時間點(diǎn)提前一個死區(qū)時間，即實(shí)現(xiàn)了在PWM調(diào)制過程中完成死區(qū)延時的有效補(bǔ)償,從而進(jìn)一步提高了調(diào)制精度，改善了APF裝置諧波抑制的效果。

［1］王兆安,楊 君,劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006:257-259.

［2］肖紅霞,范瑞祥.有源電力濾波器延時分析［J］.電氣傳2006，10：33-36.

［3］潘 雷,劉棟良,彭繼慎,宋紹樓.基于最小開關(guān)損耗的在線延時死區(qū)補(bǔ)償算法［J］.電力電子技術(shù),2007，（4）:18-20.

［4］鄧醉杰,王 輝,徐 鋒,韋澤垠.三相電壓型PWM逆變器雙閉環(huán)控制策略研究［J］.防爆電機(jī),2007,（1）:11-14.

［5］范瑞祥.并聯(lián)混合型有源電力濾波器的理論與應(yīng)用研究［D］.長沙:湖南大學(xué),2007.

［6］王兆安,黃 俊.電力電子技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006,9-41.

［7］范瑞祥,羅 安,唐 杰.諧振注入式有源濾波器數(shù)字化控制系統(tǒng)延時研究［J］.中國機(jī)電工程學(xué)報,2007,（5）：104-110.