摘要：設計了一種基于滑模變結構控制的三相四線制有源濾波器裝置，介紹了該裝置的原理及滑模變結構控制方法,并對滑動模態的存在性、可達性和穩定性進行了分析；指出滑模控制的本質是一種等速趨近律，并對其優缺點進行了分析，仿真結果表明該控制方法具有良好的諧波抑制性能，且易于實現。
    關鍵詞：三相四線制系統；有源濾波器；滑模變結構控制；滑動模態

1  引言
    近年來配電網中整流器、變頻調速裝置、電弧爐等負荷不斷增加，這些負荷的非線性、沖擊性和不平衡的用電特性使得電力系統中的電壓、電流波形發生畸變，或引起電壓波動、閃變和三相不平衡，給供電質量帶來了嚴重影響。有源濾波器(APF)作為一項抑制諧波的有效措施被廣泛研究和應用，但大量關于有源濾波器的研究僅限于三相三線制電路，而我國的實際情況是低壓用戶多采用三相四線制接線。不對稱三相四線制系統的電流中包含零序電流分量，需設計三相四線制有源濾波器來彌補三相三線制有源濾波器不能濾除系統中零序電流的缺陷。

    電力有源濾波器中，跟蹤參考信號的控制方法是判斷有源濾波器補償質量的關鍵。這些控制方法有滯環控制、無差拍控制和三角載波控制等。滯環控制具有簡單靈活、響應快、精度較高及魯棒性強等優點，但它對開關頻率的要求較高。無差拍控制的優點是數學推導嚴密、跟蹤無過沖、動態性能好等，但在負荷擾動和非線性負荷下控制效果也不能令人滿意。開關頻率固定、電路實現簡單是三角載波控制的突出優點，但三角載波應用于指令電流中的高頻分量時，控制性能有所下降。20世紀50年代初在前蘇聯發展起來的變結構控制(variable structure control)理論，由于對系統的變化和外部干擾不敏感，具有很強的魯棒性，近年來也被逐漸應用于電力電子裝置的控制中。由于電力有源濾波器的主電路為電壓型逆變器，它通過控制開關器件的通斷來控制電流的方向，其結構本身就是變化的，因此本文采用滑模變結構控制方法來實現有源濾波器的控制。

2  三相四線制電力有源濾波器的工作原理
   三相四線制電力有源濾波器的主電路由三橋臂逆變橋構成，如圖1所示。忽略絕緣柵雙極晶體管(Insulated－Gate Bipolar Transistor，IGBT)及二極管的通態壓降，則可將其合為一體，等效為一理想雙向開關。

圖中， 為APF輸出三相電流；Isa 、Isb 、Isc 為系統三相電流；ila 、ilb 、ilc 為負荷三相電流；iln 為負荷中性線電流；ifn 為APF輸出的中性線電流； 為系統三相電壓；Vca、Vcb、Vcc 分別為三相主電路各橋臂中點與中性線間的電壓； 分別為APF在三相接入點電壓；Lf 為連接電抗；Vc1 、Vc2 分別為電容 C1 和 C2 的電壓；ic1、ic2分別為流經電容C1 、C2 的電流。三相電源的中性線與直流側母線中點相連為中性線電流提供通道，Ls 為系統感抗。由于中性線電流的存在，流經連接電抗的電流 之和并不為零。根據基爾霍夫電流(KCL)定理，中性線電流必然通過電容器流向負荷中性線，其作用的結果是升高一電容電壓、降低另一電容電壓。因此，三相四線制有源濾波器的控制包括畸變電流的檢測、畸變電流的跟蹤控制、直流側電容電壓的恒定控制和平衡控制三部分內容。

3  滑模變結構控制
    3.1  系統模型的建立
    經分析APF的輸出電流，列出描述主電路的狀態方程為

    
   滑模變結構的控制目標是：使有源濾波器輸出的電流等于檢測算法所計算出的無功電流。這實際上是一個給定運動的跟蹤問題，且該給定運動由電壓的有功控制和無功電流的檢測兩部分共同確定。設待跟蹤電流為 ，并記有源濾波器輸出電流為 。引入偏差變

   式(3)表征的是非線性控制系統，為方便起見，作者認為經過電壓恒定控制的直流側電壓之和恒定，即 Vc1+Vc2=Vc,ret ，這樣就有dVC1/dt+dVC2/dt=0，將式(3)中的dVC1/dt減去dVC2/dt，則將式(3)簡化為

式中   ΔV=Vc1-Vc2 。
    3.2  滑模控制的設計
    由于控制目標是使e為零，這樣滑模切換面 可定義為