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共模APF-OCC策略——电流抑制
Alberto Soto Lock, Member, IEEE, Edison Roberto Cabral da Silva, Fellow, IEEE, Malik E. Elbuluk, Senior Member, IEEE, and Darlan A. Fernandes, Member, IEEE
摘要
本文提出了一种基于DSP的并联型有源电力滤波器（APF）单周控制策略，该策略能够抑制共模电压引起的共模电流。提出的控制策略是基于OCC整流器控制，它利用输入电阻控制来建立直流环节电压，实现功率因数的统一，并对平均相电流进行超前-滞后补偿。从这个意义上说，所提出的有源电力滤波器策略利用输入电阻来控制功率因数，而采用超前-滞后补偿来滤除相电流中的谐波。仿真和实验结果证实了本文提出的方案。
指数术语：有源电力滤波器（APF）、共模电流、共模电压、非正弦电网电压、单周期控制（OCC）。
- 引言
共模电压（CMV）一直是一个问题，因为它可以产生共模电流（CMC），这对任何电力系统和电压谐波都是有害的，污染了电网。例如，在工业应用中，这种电流会导致控制设备流产。在数据中心，它会导致计算机、存储系统和电源故障。在电气网络中，它可以引起错误的继电器跳闸，在电机驱动中，它可以承载电流，缩短电机寿命[1]，[2]。
CMV主要由电磁干扰（EMI）引起。电磁干扰通常由无线电和电视发射器、荧光灯、电动工具、动力驱动电机和电源线引起，频率范围通常在100 kHz以上[22]。EMI还有一些自然资源，如宇宙辐射、太阳辐射和雷暴等，频率约为30兆赫[22]。尽管有很多报道。
2016年2月23日收到的手稿；2016年5月28日修订；2016年7月10日接受。出版日期：2016年8月10日；现行版本日期：2016年11月18日。论文2016-IPCC-0158.R1，于2015年3月15日至19日在美国北卡罗来纳州夏洛特举行的IEEE应用电力电子专家会议和博览会上发表，并批准在IEEE交易中发表。由IEEE工业应用学会工业功率转换器委员会提供的工业应用。这项工作得到了巴西研究委员会（Capes，CNPQ 461635/2014-3）和联邦大学的Enxoval项目的支持。
A.S.Lock现就职于巴西联邦大学可再生能源工程系，地址：58051-900 Joao Pessoa（邮箱：a s lock@cear.ufpb.br）。
E.R.C.Da Silva和D.A.Fernandes就职于巴西联邦大学电气工程系，地址：58051-900 Joao Pessoa，Brazil（电子邮件：edison.roberto@c e a r.ufpb.br；darlan@c e a r.ufpb.br）
M.E.Elbuluk在美国俄亥俄州阿克伦大学电气和计算机工程系，邮编：44325-3904 （电子邮件：elbuluk@uakron.edu）。
本文中一个或多个图形的颜色版本可在http://ieeexplore.ieee.org上在线获取。数字对象标识符10.1109/TIA.2016.2598800。
图1 并联APF方框图
通过添加电源电路来解决CMV问题，它们主要集中在保护电机轴承电流[1]–[4]。
近年来，人们对非线性负荷和电网电压谐波产生的电能质量问题产生了相当大的兴趣。非线性负载通常会产生电流谐波污染，降低功率因数和电网可用有功功率。电压谐波也会产生电流谐波污染，降低可用有功功率[5]。为了解决这些问题，自20世纪80年代以来，有源电力滤波器（APF）已成为最有效的解决方案之一[6]，[7]。一般说来，有源电力滤波器可以分为三大类[8]：并联型有源电力滤波器、串联型有源电力滤波器和通用型有源电力滤波器，或者统一电能质量调节器（UPQC），它是并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器的组合。并联有源电力滤波器解决了非线性负载产生的电流谐波污染问题。串联型有源电力滤波器解决了由电压不平衡引起的谐波问题。UPQC能够同时解决电压和电流谐波污染问题。另一方面，诸如PQ理论、DQ同步参考框架、快速傅立叶变换和人工神经网络等APF控制方法[8]具有相同的控制策略，例如，对于并联APF，内部控制回路通过这些方法计算的参考补偿来实现正弦相位电流。同时，利用外部控制回路从电网电压中获得单位功率因数（UPF）（见图1）。新的控制方法，如单周期控制（OCC），采用不同的控制策略，因为它既不使用参考补偿，也不使用内部控制回路。OCC是一种脉宽调制器（PWM），是一种将控制系统集成到调制器上的硬件技术。OCC最初用于直流-直流变换器和功率因数校正（PFC）整流器控制[9]，[10]，用于并联APF和UPQC，用于平衡负载和不平衡电压[11]，[12]。对于PFC整流器和APF，OCC利用UPF实现了正弦电网电流，利用其控制集成，避免了复杂的控制算法。此外，OCC在一个开关周期内执行其控制操作，因此得名。从而达到控制简单、动态响应高的目的。
然而，无论是这些过滤器还是控制系统，都报告了CMV问题的解决方案。最重要的是，还不清楚该由谁来解决这个问题。最近，一个基于DSP的PFC-OCC整流器控制器被报道[13]。它是一种脉宽调制（PWM）软件技术，控制系统也集成到调制器中，与硬件OCC具有相似的效果，即控制简单，动态响应高。然而，当后来用CMV进行测试时，它给出了一个特殊的特性，比如它拒绝CMC的能力。从这个意义上说，这个特性可以用来保护一个带有并联有源电力滤波器的配电系统。基于上述PFC-OCC工作[13]提出的方案不需要辅助电路，也不需要专用控制系统。然而，为了进行测试，需要将其限制在100 kHz以下，这取决于电源开关的最大频率，因为在发电机中很难产生更大的频率。本文的组织结构如下。第二节介绍了PFC-OCC审查。在前一节的基础上，第三节解释了基于DSP的APF-OCC如何工作，以及CMC抑制功能。模拟和实验结果见第四节，结论见第五节。
- 基于DSP的PFC-OCC整流器综述
PFC整流器控制基于DSP的OCC是一种平均方法，即脉宽调制，将平均电网电流与软件可控载体进行比较，并集成到控制系统中，类似于基于硬件的OCC[13]。与APF控制一样，PFC控制必须获得UPF的正弦相电流，而直流环节电压必须充电和控制，以避免使用外部电源电压，并分别损坏绝缘栅双极晶体管（IGBT）转换器（见图2）。
然而，在硬件OCC方面，基于DSP的OCC存在一些差异：
1）载波波形，三角波；
2）输入电阻使用，直流环节电压控制器；
3）平均法，一种超前-滞后补偿（LLC），允许相位角超前和滞后（如有必要）。
另外，软件OCC应用领域也是一个不同点。尽管硬件OCC是一种简单的控制技术，但在复杂的应用或操作（即乘法、除法、平方根、克拉克变换和派克变换）的情况下，它也注定要扩展其控制电路或作为辅助电路[14]。同时，软件OCC是基于DSP的，因此复杂的操作[15]和应用能力[26]可以包含在其功能中。
图2 带IGBT功率转换器的PFC整流器
图2显示了IGBT功率转换器作为滤波器。这种配置主要用于中功率和大功率应用，即驱动电机。现在，我们假设如下。
- 开关频率远高于线路频率；
- 每个臂中的开关以互补的方式工作，即上下开关的工作循环分别为和（），其中。
从图2可以明显看出，在每极电压的一个周期t内，平均电网电压可以表示为其占空比的函数。所以
（1）
其中是直流环节电压。此外，将电压基尔霍夫定律应用于图2（a）中的每个rminus;L分支，我们得到
（2）
取一个周期t的平均值，对于（2）中任何描述的r-L分支，我们得出
（3）
其中，相位对应极，相位对应极，依此类推。由于一段时间内的平均电网电压和输入电流为零，则
（4）
可以证明电压 [16]由以下公式给出：
. （5）
其中M是调制指数，是零阶贝塞尔函数，是切换频率。电压没有直流分量，只由构成，然后的平均值在一个周期T中为零。就这个意义而言，从（1）、（4）和（5），我们有
（6）
由于前面等式右侧在到之间变化，当占空比在0到1之间变化时，此式子可以解释为可变振幅对称载波，其中是固定振幅对称载波。
在控制中心，假定电流纹波小，电感电流工作在电流连续模式。因此，相电流与平均相电流成正比[10]，因此
（7）
其中，是平均电流，是比例常数。
因为在带UPF的PFC整流器中，相电流遵循电网电压，从电网侧看到的三相整流器阻抗必须是电阻[10]。然后，为了使前面的方程在尺寸上正确，可以采用电阻的形式。按照
（8）
其中输入电阻可定义为
（9）
在这项工作中输入电阻的使用与硬件OCC非常不同，因为这项技术只将视为一个常数[10]–[12]。然后，由于电阻阻抗必须从电网中看到，功率因数和直流环节电压也必须得到控制，可以成为直流环节电压控制器。由于直流链路电压控制器也控制有功功率P，因为它依赖于，（见图2）。因此
（10）
其中，为直流链路电压基准，和分别为比例和积分常数。此外，从（9）可以确定，激活功率也依赖于，即。此外，还间接地控制功率因数，因为功率P、无功功率Q和视在功率是由表达式决定的。然后，当s固定时，如果功率P设置为高电平（接近s），无功功率Q应接近零。因此，输入电阻是一个直流环节控制器，也控制功率因数。输入电阻必须大于零，并受最小和最大值的限制，以设置（9）中的最大和最小电网电流（见图3）。
基于PC的OCC和硬件OCC之间的平均值不存在差异。由于平均电网电流，不建议使用纯集成电路，因为它会出现饱和问题[17]、低通滤波器（LPF）或峰值检测器[10]–[12]。然而，由于在第一种情况下由LPF引起的延迟时间和在第二种情况下缺乏对高次谐波的滤波是这些方法的缺点，因此选择LLC作为平均方法（见图3），以衰减由LPF引起的延迟并过滤峰值检测器中不需要的谐波电流分量。假定平均电流与瞬时电流成正比。从这个意义上讲，平
均电流和瞬时电流在频域上是相关的，因为，其中
图3.软件PFC-OCC控制器的框图
是一个超前-滞后补偿，那么
（11）
其中是增益，和分别是超前和滞后补偿常数，和对应于频域中的电流和，如图3所示。上一个方程的主要思想是平均相电流，在相角上没有不必要的延迟，因为它的表观延迟由给出。
- 软件实施
检查（8），可以观察到右侧的术语表示载波波形。同时，载波波形取决于物理实现，即在硬件OCC[9]，[10]中，积分器和比较器用于改变载波振幅。对于软件实现，可以通过软件选择载波波形（锯齿或对称三角形）。在这项工作中，采用三角形载波，因为对于正弦调制波，它产生的电流谐波比锯齿载波小[18]。然而，载波振幅取决于用于DSP的脉宽调制周期（见表一），因为载波可变振幅的变化也涉及脉宽调制周期的变化[19]。因此，在不改变载波频率的情况下，没有直接的方法来改变载波幅度。然而，为了解决这一问题并集中于产生相同的发射脉冲，调制振幅可以等效地变化，就好像载波振幅是变化的一样,这可
表一 DSP TMS3020F28335的载波幅度和频率载波
|
载波幅度 |
频率fc(kHz) |
|
5000 |
15 |
|
7500 |
10 |
|
15000 |
5 |
以在（8）时确认被修改为
（12）
图4.点火脉冲的产生。（a）根据（12）。（b）根据（13）
是图3所示的功率转换器下开关门的逻辑状
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