級(jí)聯(lián)H橋APF直流側(cè)電壓控制系統(tǒng)的仿真研究

盧獻(xiàn)法，馬成虎

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級(jí)聯(lián)H橋APF直流側(cè)電壓控制系統(tǒng)的仿真研究

盧獻(xiàn)法，馬成虎

（阜陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程科技學(xué)院，安徽阜陽(yáng) 236031）

針對(duì)級(jí)聯(lián)H橋有源電力濾波器的特點(diǎn)，提出一種用MATLAB/Simulink 元件庫(kù)中的電力電子器件建立閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型。仿真模型的諧波電流檢測(cè)算法采用基于瞬時(shí)無功功率理論的i，i法，調(diào)制方式采用載波移相調(diào)制方式。文章重點(diǎn)針對(duì)級(jí)聯(lián)H橋有源濾波器的直流側(cè)電壓的穩(wěn)壓與均壓?jiǎn)栴}，提出了與電網(wǎng)側(cè)交換能量的相間穩(wěn)壓方法和疊加調(diào)制波的同相電容均壓方法，仿真結(jié)果證明了該方法的正確性。

有源電力濾波器；級(jí)聯(lián)H橋；直流側(cè)電壓；載波移相；諧波檢測(cè)

0 引言

這些年來，隨著各種電力電子器件的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了大量的諧波和無功電流注入電網(wǎng)，對(duì)公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量和用戶設(shè)備的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響。各種針對(duì)諧波檢測(cè)和抑制的技術(shù)不斷提出并得到一定程度的應(yīng)用，特別是有源濾波器的提出和應(yīng)用，對(duì)諧波抑制起到明顯的效果。多電平變流器能夠直接輸出高壓而無需變壓器的連接，因而大功率場(chǎng)合中受到越來越多的重視[1,2]。相對(duì)于二極管鉗位型多電平變流器和飛跨電容型多電平變流器，級(jí)聯(lián)H橋型多電平變流器所需的元器件數(shù)目最少，具有較易實(shí)現(xiàn)、高可靠性、低諧波和畸變小等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)階段大功率、高電壓等級(jí)變流器領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

載波相移SPWM技術(shù)可以在較低的器件開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)較高開關(guān)頻率的效果，不但使SPWM技術(shù)應(yīng)用于特大功率場(chǎng)合成為可能，而且在提高裝置容量的同時(shí)，有效地減小輸出諧波，提高整個(gè)裝置的信號(hào)傳輸帶寬，是一種非常適用于大功率APF的開關(guān)調(diào)制策略[2,3]。

H橋級(jí)聯(lián)多電平變流器的直流母線電壓穩(wěn)定均衡控制是H橋級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)涞难芯恐攸c(diǎn)和難點(diǎn)之一，它直接關(guān)系到變流器交流側(cè)輸出波形質(zhì)量、變流器單元的有功和無功出力、變流器開關(guān)管的電壓和電流應(yīng)力以及變流器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，甚至有可能造成變流器的閉鎖，大大限制了H橋級(jí)聯(lián)多電平變流器性能的發(fā)揮。文獻(xiàn)[4-10]都開展了對(duì)H橋多電平變流器控制策略的研究。文獻(xiàn)[4]提出一種在直流母線側(cè)附加平衡電路的方式實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的平衡控制，該方法高效、可靠，且控制精度高，但每個(gè)H橋變流器需要增加一套平衡電路，不僅增加了裝置體積，而且提高了裝置整體成本。文獻(xiàn)[5]提出通過對(duì)交流側(cè)電壓相角的調(diào)節(jié)達(dá)到均衡直流母線的目的，由于在特定的場(chǎng)合，交流側(cè)電壓相角的調(diào)節(jié)范圍很有限，且相角調(diào)節(jié)對(duì)有功出力非常敏感，要實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的動(dòng)態(tài)均衡非常困難。文獻(xiàn)[6]從有功功率與無功功率的基本物理意義出發(fā)，提出一種基于正負(fù)序電流分離解耦控制的通用三級(jí)直流母線電壓均衡控制方案，該方法可以很好地解決 H 橋級(jí)聯(lián)多電平變流器直流母線電壓穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)均衡問題，但是運(yùn)算方法較為復(fù)雜。

本文所仿真的H橋有源電力濾波器采用載波相移SPWM技術(shù)，在上述論文的基礎(chǔ)上提出一種基于與電網(wǎng)側(cè)能量交換的每相總電壓穩(wěn)定方法和基于疊加調(diào)制波的單個(gè)電容間的電壓的均衡方法。仿真結(jié)果表明，該控制策略可以實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定與均衡，可以有效、準(zhǔn)確地補(bǔ)償負(fù)載諧波電流。

1 基于級(jí)聯(lián)H橋的有源電力濾波器的電路拓?fù)?/h2>

基于級(jí)聯(lián)H橋型多電平變流器的并聯(lián)APF的電路拓?fù)淙鐖D1所示（以五電平為例），不僅能滿足大功率的補(bǔ)償要求，且使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、可靠性高。負(fù)載為電流源型不控整流器，級(jí)聯(lián)H橋型變流器直接接入電網(wǎng)與負(fù)載并聯(lián)。圖中i為交流網(wǎng)側(cè)電流，i為負(fù)載電流，i為APF補(bǔ)償電流，U為x相第y變流器單元的直流側(cè)電壓（其中=a,b,c；=1,2）。顯然

APF 系統(tǒng)的工作原理為：通過諧波和無功檢測(cè)電路得到負(fù)載電流i的諧波和無功分量，將其取反即得到級(jí)聯(lián)H橋型變流器的指定電流i*；構(gòu)造交流側(cè)反饋控制，使得級(jí)聯(lián)H橋型變流器的交流側(cè)電流i準(zhǔn)確地跟蹤i*，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流i諧波和無功分量的補(bǔ)償，使得電網(wǎng)電流的波形接近正弦并使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)達(dá)到單位功率因數(shù)。另外，為了使電路能夠正常工作，各變流器單元的直流側(cè)電壓應(yīng)該保持均衡；同時(shí)為了補(bǔ)償系統(tǒng)本身的損耗，APF需要從電網(wǎng)吸收少量的有功功率，為此對(duì)直流側(cè)進(jìn)行反饋控制。整個(gè)系統(tǒng)的控制框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

文獻(xiàn)[2,3]對(duì)載波相移SPWM技術(shù)（CPS-SPWM）消除和抑制諧波的數(shù)學(xué)原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，證明了CPS-SPWM技術(shù)可以在相當(dāng)?shù)偷钠骷_關(guān)頻率下達(dá)到較高等效開關(guān)頻率的效果，在大功率APF中有良好的應(yīng)用前景。諧波和無功檢測(cè)采用文獻(xiàn)[11]所介紹的基于瞬時(shí)無功理論下的諧波檢測(cè)方法，能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的檢測(cè)出負(fù)載電流中的諧波電流。

2 直流側(cè)電壓控制系統(tǒng)

2.1 三相電壓的平衡控制

三相電壓平衡控制的結(jié)構(gòu)框圖（以A相為例）如圖3所示，整個(gè)控制的目標(biāo)是保持各相中電容電壓的和在參考值U附近。

圖3 三相PI調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓平衡原理圖

基本思想是同相內(nèi)的兩個(gè)電容電壓的和與參考電壓的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后與各相電壓的單位正弦波相乘然后疊加到各相的參考電流中。即通過在各相參考電流中注入有功電流的方法來使得交直流側(cè)發(fā)生功率交換，進(jìn)而維持三相電壓的平衡，因?yàn)樵谌嗳€制系統(tǒng)中，由于三相電流之和為零，所以三相電流并不獨(dú)立，所以B相的參考電流也如上圖原理一樣，但是C相電流直接為A，B兩相電流和的相反數(shù)。

2.2同相電容電壓的平衡控制

同相電容電壓的平衡控制即同一相的兩個(gè)級(jí)聯(lián)H橋的直流側(cè)電容電壓的平衡控制。在穩(wěn)態(tài)時(shí)直流側(cè)電容電壓的平均值如下[9]:

其中M為調(diào)制比，M為3次諧波分量調(diào)制比，為3次諧波分量與基波分量的相位差，?j為由于各單元逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖延時(shí)導(dǎo)致的輸出電壓基波相位誤差混合型損耗和并聯(lián)型損耗分別用受控電流源 kI(=1,…,)和電阻R(j=1,…,)表示。從式（2）可以看出穩(wěn)態(tài)直流電壓分配僅與并聯(lián)損耗、開關(guān)損耗、調(diào)制比、脈沖延時(shí)的差異及三次諧波電流有關(guān)，與電容容值無關(guān)。

由于同相H橋始終擁有相同的電流，因此無法通過疊加有功電流的方法來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流側(cè)電容電壓的平衡?？紤]到在上小節(jié)三相電壓平衡控制中，為了實(shí)現(xiàn)三相電壓的平衡，各相的參考電流中都疊加了一定的有功電流。結(jié)合式（2），改變調(diào)制比M，便可以改變直流側(cè)電壓的穩(wěn)態(tài)值，那么，如果能夠在兩個(gè)H橋單元的電壓調(diào)制波中分別疊加與有功電流同相位但符號(hào)相反電壓的話，便可以實(shí)現(xiàn)同相電容間的功率流動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同相直流側(cè)電容電壓的平衡控制。

以A相為例，同相的電容電壓平衡控制原理如圖4所示。其中，U為需要疊加到電壓調(diào)制波上的有功電壓量。i為上小節(jié)所述的疊加到A相參考電流中的有功電流。

圖4 同相電容電壓平衡控制原理圖

3 仿真模型的建立及仿真分析

3.1仿真模型的建立

本文基于MATLAB 7.1平臺(tái)建立了Simulink仿真模型，利用Simulink中的電力電子元件模擬實(shí)際電力系統(tǒng)中的電力電子元器件，模型建立方便、參數(shù)調(diào)整容易，運(yùn)行快速。

系統(tǒng)的Simulink仿真總圖如圖5所示：系統(tǒng)電源為50Hz的220V三相電壓，負(fù)載端電力電子元件為三相橋式不控整流器，負(fù)載直流側(cè)為電阻性負(fù)載，電阻值為50Ω，電源與負(fù)載間的電阻值設(shè)定為10Ω,電感值為2mH。

圖5 系統(tǒng)仿真總圖

子系統(tǒng)1為諧波電流檢測(cè)環(huán)節(jié)，其基本原理是，將三相電流經(jīng)鎖相環(huán)節(jié)從三相靜止坐標(biāo)變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，經(jīng)低通濾波器濾除其中的交流分量，再經(jīng)過逆變換變得到了負(fù)載電流中的諧波分量。

子系統(tǒng)2,3,4,分別為A,B,C相的級(jí)聯(lián)H橋，H橋采用三個(gè)串聯(lián)，電容值設(shè)置為0.1mF，其內(nèi)部包含了H橋控制環(huán)節(jié)和發(fā)波環(huán)節(jié),控制環(huán)節(jié)按照第二節(jié)所述的原理搭建，PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置為k為5，k為10，直流側(cè)電壓的給定值設(shè)置為300V，三個(gè)H橋的平均值作為單相電容間均壓的給定值，H橋的發(fā)波環(huán)節(jié)由載波相移原理將三角載波依次移動(dòng)T/6得到，其中T三角載波的周期。

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖6所示，依次為系統(tǒng)的三相電壓，三相負(fù)載電流，經(jīng)過濾波之后三相電網(wǎng)電流，可以看出經(jīng)過濾波之后的三相電網(wǎng)電流波形基本接近正弦波，經(jīng)FFT分析，其THD為4.90%，滿足在5%以內(nèi)的要求。如圖7所示，為三相直流側(cè)電壓波形，可見三相的直流側(cè)電壓均穩(wěn)定在參考電壓值300V 附近，很好地實(shí)現(xiàn)了三相電壓的平衡控制。另外，A相內(nèi)的三個(gè)獨(dú)立電容的電壓值U，U，U也均穩(wěn)定在電容電壓參考值100V附近，從而也實(shí)現(xiàn)了同相內(nèi)電容電壓的平衡控制，最終實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)各個(gè)電容電壓的平衡。

圖6 電網(wǎng)電壓，負(fù)載電流，電網(wǎng)電流波形

a）A相電容電壓波形

b）A相直流側(cè)電壓波形

c）B相直流側(cè)電壓波形

d）C相直流側(cè)電壓波形

圖7 本文電壓平衡控制方法仿真波形圖

另外由圖7的a，b兩圖可以看出A相的電壓跟基準(zhǔn)值有微小的偏差，不如B，C相那么準(zhǔn)確，這是由于三相電流并不獨(dú)立，必然有一相電流得不到充分穩(wěn)定有效的控制造成的，但是只要波動(dòng)在合理的范圍之內(nèi)，對(duì)濾波效果沒有影響，都是可以接受的，這種方法是非常有效的。

4 結(jié)論

通過仿真電路構(gòu)建基于H橋級(jí)聯(lián)有源電力濾波器模型實(shí)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)電力電子器件的模擬仿真，對(duì)于基于H橋級(jí)聯(lián)有源濾波器的直流側(cè)電壓控制問題采用了一種比較新穎的方法。仿真結(jié)果顯示，該控制方法能較好的實(shí)現(xiàn)直流側(cè)的穩(wěn)壓和均壓?jiǎn)栴}，對(duì)于三相電流不獨(dú)立問題可能會(huì)出現(xiàn)某相電壓的波動(dòng)，但是在能夠接受的范圍之內(nèi)，該方法對(duì)實(shí)際系統(tǒng)有一定的參考作用。最后總的仿真結(jié)果顯示，該有源濾波器能夠?qū)ω?fù)載電流進(jìn)行比較好的濾波，說明了該控制系統(tǒng)的正確性，有效性。

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責(zé)任編輯：顧紅飛

2015-04-07

盧獻(xiàn)法(1982-)，男，安徽阜陽(yáng)人，阜陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生。主要研究方向：電器工程。

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