陳 艷，曹志平

（湖南工學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，是諧波治理技術的發(fā)展方向［1］-［2］，它對系統(tǒng)實時性要求很高。隨著高速開關器件的發(fā)展，基于電壓型逆變器的PWM技術廣泛應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器件同時導通而引入了死區(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，從而降低了APF裝置的諧波補償效果［3］。本文在考慮死區(qū)效應的情況下通過基于改進規(guī)則采樣法對APF主電路進行PWM調制，將調制得到的下橋臂關斷時間點提前，用以補償死區(qū)延時，從而進一步改善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上是對PWM逆變器的控制。當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進行控制，這一階段也存在延時。主要有如下原因：首先是由于開關器件并非是理想的，控制信號得到響應需要一段時間，即有源逆變器的開關時間，開通時間指延遲時間與上升時間之和，關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體開關器件類型密切相關，例如門極可關斷晶閘管（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）的開關時間次之［4］。即使是同一種類型的半導體器件，其關斷時間和器件的功率水平、導通的飽和深度也有關系。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斷之后，另外一個管子導通之前，加上一定的死區(qū)時間。選用的半導體開關器件不同，要求的最小死區(qū)時間也不相同，死區(qū)時間要大于半導體開關器件的最大關斷時間。例如智能IGBT模塊-PM600HSA120,開關時間分別為ton＝2.5 μs，toff＝4 μs，最大開關頻率為 20 kHz。為保險起見，在實際應用中死區(qū)時間一般都至少設定為5 μs以上。

3 死區(qū)延時對有源電力濾波器的影響

補償電流發(fā)生電路是并聯(lián)型有源電力濾波器中的一大組成部分。補償電流發(fā)生電路由電壓型PWM變流器及其相應的驅動電路、電流跟蹤控制電路組成?，F(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為設定的死區(qū)時間，考慮到死區(qū)延時，將欲關斷的IGBT與理想波形同時關斷，而欲開通的IGBT延遲Td才開通，則在死區(qū)時間內，IGBT T1和T2同時處于截止狀態(tài)，負載電流ic通過續(xù)流二極管D1、D2續(xù)流而得到。設電流由逆變器向外流出時ic為正，電流流進逆變器時ic為負，則在死區(qū)時間內輸出電壓的大小與電流ic的方向有關。

圖1 電壓型PWM逆變器C相橋臂

由圖1可知：ic＞0時，負載電流通過D2續(xù)流，輸出電壓Uc＝-UDC/2；ic＜0時，負載電流通過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的控制信號是互補的，即一個處于導通狀態(tài)時，另一個必須處于關斷狀態(tài)。

當 T2關斷，T1導通時，ic＞0，輸出電壓 Uco＝UDC/2；當 T1關斷，T2導通時，ic＜0，輸出電壓 Uco＝-UDC/2。

在死區(qū)時間Td內，把實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，當 ic＞0 時，Ui＝U-Uc＝UDC；當 ic＜0 時，Ui＝Uco-Uc＝ -UDC。

如圖2所示為死區(qū)效應的波形示意圖，（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)效應引起的等效誤差方波是與PWM逆變器輸出的諧波補償電流是反相的，假設電壓型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內的開關次數(shù)，fc為載波頻率。

圖2 死區(qū)效應波形示意圖

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，而與載波頻率和死區(qū)時間成正比。若設載波頻率fc為12.8 kHz，死區(qū)時間為5μs,直流側電壓UDC為500 V，則誤差方波的幅值可達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，其補償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流。而補償電流ic是由主電路中直流側電容電壓與交流側電源電壓的差值作用于電感上產(chǎn)生的［4］。

假設逆變器輸出的諧波補償電流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的補償效果。

從相位分析，加入死區(qū)延時以后逆變器實際輸出的諧波電壓、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裝置的諧波補償效果。

4 基于改進規(guī)則采樣法進行PWM調制的死區(qū)補償方法

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

圖3 改進的規(guī)則采樣法

設三角波的周期為T，在相鄰兩個三角波負峰時刻ti和ti＋T對調制信號采樣而得到C點和D點，過C點和D點作一直線和三角波分別交于A點和B點，在A點的時刻t1和B點的時刻t2控制功率開關器件的通斷。

三角波的周期T和幅值K都是確定的，設調制信號在C點和D點的值分別為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）所示的改進規(guī)則采樣法進行PWM調制，在ic＜0的情況下，死區(qū)效應的影響相當于上橋臂T1關斷和下橋臂T2開通時間按理想時間滯后Td，在考慮死區(qū)效應的情況下，要使輸出為理想波形只需將調制得到的上橋臂關斷時間點t1提前Td即可。同樣，在ic＞0的情況下，也只需將調制得到的下橋臂關斷時間點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的實際值t1′和t2′，從而可得到PWM控制信號脈寬數(shù)據(jù)。

5 結束語

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，還可能導致某些高次諧波放大，甚至影響基于鋸齒載波的脈寬調制［7］。在通過改進規(guī)則采樣法進行PWM調制時，通過將調制得到的上下橋臂關斷時間點提前一個死區(qū)時間，即實現(xiàn)了在PWM調制過程中完成死區(qū)延時的有效補償,從而進一步提高了調制精度，改善了APF裝置諧波抑制的效果。

［1］王兆安,楊 君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京：機械工業(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.基于最小開關損耗的在線延時死區(qū)補償算法［J］.電力電子技術,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,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用研究［D］.長沙:湖南大學,2007.

［6］王兆安,黃 俊.電力電子技術［M］.北京:機械工業(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］.中國機電工程學報,2007,（5）：104-110.