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基于DSP的单周控制有源电力滤波器解析
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2017-11-03
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各种非线性负载应用日益广泛，电网中的无功功率和谐波污染已经成为一个非常严重的问题。为了消除无功和谐波对电网造成的污染，有源滤波器（APF）得到了飞速发展。其采用的控制方法主要分为三角载波线性控制、滞环比较控制、无差拍控制3种类型。这些方法均存在一定的缺陷，如三角载波的波形畸变，滞环控制开关频率变化以及畸变电流检测的快速实时响应等。随着微机控制技术的不断发展以及数字信号处理器（DSP）运算速度的不断提高，无差拍控制法，单周控制法及其他快速优化控制法将在APF中得到进一步的应用。
单周控制法作为一种非线性控制法，最早由美国学者Keyue M.Smedley和Slobodan Cuk提出。其基本思想是：控制开关的占空比，使每个周期内开关量的平均值与控制参考信号相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差。目前已成功地应用到DC-DC变换、音频开关放大器、功率因素校正和单相有源电力滤波器等。本文所提出的基于DSP的单周控制有源电力滤波器不仅结构简单可靠，而且具有很好的动态和静态补偿特性及控制器简单的优点。抗电源干扰能力强，鲁棒性好。
1 单周控制有源电力滤波器
1.1 单周控制
单周控制原理如图1所示，它由控制器、1个比较器、1个可复位积分器及时钟组成，其中控制器可以采用RS触发器或D触发器。开关K，K1为一对互补的开关，频率为fs=1／Ts。在每一个周期开始，即t=0时，时钟信号到，开关K闭合，K1断开，输出y（t）的波形和输入x（t）的波形相同，积分器由0开始积分。在t=dTs时（其中d为占空比，d=Ton／Ts，根据模拟控制参考vref调制，且0《d《1），积分器的输出Vint达到给定参考电压Vref时，比较器输出发生变化，使K断开，K1闭合，积分器复位。等到下一个周期开始的时候，又重复前面的动作。
从图1中可以看出，输人信号x（t）被开关斩波形成输出信号y（t），输出信号y（t）的频率和脉宽是与开关函数一致，而输出信号y（t）的包络线与输人信号x（t）一致。占空比D为模拟控制参考信号Vref所调制，从而达到对控制变量平均值进行控制的目的。
1.2 主电路分析与控制量关系
图2为包括电源电压US、非线性负载、电压源型变换器以及DSP单周控制器构成的单相并联型APF主电路，其中L为输出滤波电感；C为储能电容；RS为电流取样电阻。
如果图2中开关S1，S2，S3和S4采用单周控制器输出的调制脉宽波进行控制，并分别设开关S1，S2在一个时钟控制周期中导通的占空比为d1和d2；相应地开关S3，S4在一个单周期内开通的占空比则分别为（1-d1）和（1-d2）。
单周控制法作为一种非线性控制法，最早由美国学者Keyue M.Smedley和Slobodan Cuk提出。其基本思想是：控制开关的占空比，使每个周期内开关量的平均值与控制参考信号相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差。目前已成功地应用到DC-DC变换、音频开关放大器、功率因素校正和单相有源电力滤波器等。本文所提出的基于DSP的单周控制有源电力滤波器不仅结构简单可靠，而且具有很好的动态和静态补偿特性及控制器简单的优点。抗电源干扰能力强，鲁棒性好。
1 单周控制有源电力滤波器
1.1 单周控制
单周控制原理如图1所示，它由控制器、1个比较器、1个可复位积分器及时钟组成，其中控制器可以采用RS触发器或D触发器。开关K，K1为一对互补的开关，频率为fs=1／Ts。在每一个周期开始，即t=0时，时钟信号到，开关K闭合，K1断开，输出y（t）的波形和输入x（t）的波形相同，积分器由0开始积分。在t=dTs时（其中d为占空比，d=Ton／Ts，根据模拟控制参考vref调制，且0《d《1），积分器的输出Vint达到给定参考电压Vref时，比较器输出发生变化，使K断开，K1闭合，积分器复位。等到下一个周期开始的时候，又重复前面的动作。
从图1中可以看出，输人信号x（t）被开关斩波形成输出信号y（t），输出信号y（t）的频率和脉宽是与开关函数一致，而输出信号y（t）的包络线与输人信号x（t）一致。占空比D为模拟控制参考信号Vref所调制，从而达到对控制变量平均值进行控制的目的。
1.2 主电路分析与控制量关系
图2为包括电源电压US、非线性负载、电压源型变换器以及DSP单周控制器构成的单相并联型APF主电路，其中L为输出滤波电感；C为储能电容；RS为电流取样电阻。
如果图2中开关S1，S2，S3和S4采用单周控制器输出的调制脉宽波进行控制，并分别设开关S1，S2在一个时钟控制周期中导通的占空比为d1和d2；相应地开关S3，S4在一个单周期内开通的占空比则分别为（1-d1）和（1-d2）。
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