基于混合調(diào)制的混合H橋級(jí)聯(lián)APF研究

張國(guó)榮，武志強(qiáng)

（合肥工業(yè)大學(xué)教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心，安徽 合肥 230009）

基于混合調(diào)制的混合H橋級(jí)聯(lián)APF研究

張國(guó)榮，武志強(qiáng)

（合肥工業(yè)大學(xué)教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心，安徽 合肥 230009）

有源電力濾波器能夠有效地、實(shí)時(shí)地跟蹤補(bǔ)償非線性負(fù)載產(chǎn)生的幅值、頻率變化的諧波和無(wú)功電流。研究了一種星型結(jié)構(gòu)的混合3單元H橋級(jí)聯(lián)三相APF，在中高壓領(lǐng)域有比較廣闊的應(yīng)用前景。首先對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，詳細(xì)地分析了混合調(diào)制方式；指令電流采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的方法進(jìn)行提取，H橋模塊直流側(cè)電壓采用分層控制來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。通過(guò)仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的APF能夠有效地補(bǔ)償負(fù)載電流中的畸變成分，系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

混合H橋級(jí)聯(lián)；有源電力濾波器；混合調(diào)制方式；瞬時(shí)功率理論；直流電壓分層控制

隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展，電力電子設(shè)備已經(jīng)被大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活，而絕大多數(shù)的電力電子設(shè)備屬于非線性負(fù)載，在工作的過(guò)程會(huì)污染電網(wǎng)，進(jìn)而影響接入電網(wǎng)其他設(shè)備的正常運(yùn)行。

有源電力濾波器作為解決諧波污染的最有效手段之一，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤補(bǔ)償非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波，近年來(lái)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。但是受限于開(kāi)關(guān)器件（IGBT）的耐壓等級(jí)和開(kāi)關(guān)速度的限制，APF在中高壓領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)，常需要結(jié)合無(wú)源濾波器組成混合APF，或者使用改進(jìn)型的多電平APF?；旌螦PF在設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧無(wú)源濾波器和有源濾波器，工作量大［1］；多電平APF是解決APF在中高壓領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)有效方案。目前，多電平APF的主要型式有飛跨電容型［2］、二極管鉗位型［3］、常規(guī)H橋級(jí)聯(lián)型［4-5］以及本文研究的混合H橋級(jí)聯(lián)型［6-9］。

H橋級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)的每個(gè)H橋單元結(jié)構(gòu)類似，易于模塊化實(shí)現(xiàn)，通過(guò)增加級(jí)聯(lián)的H橋數(shù)目能夠大幅度地提高裝置的耐壓等級(jí)，增加逆變輸出的電平數(shù)，同時(shí)降低輸出波形的諧波量和畸變率。常規(guī)n單元H橋級(jí)聯(lián)型APF的每個(gè)H橋模塊直流側(cè)電壓相同，可以逆變輸出（2n+1）個(gè)電平［4-7］；本文研究的混合H橋級(jí)聯(lián)型APF的直流側(cè)電壓穩(wěn)定值按照1∶2∶22∶…∶2n-1分配，逆變側(cè)的輸出電平數(shù)可以達(dá)到（2n+1-1），級(jí)聯(lián)單元相同的情況下，大大降低了逆變波形的畸變率，更易于濾波［6-9］。

文獻(xiàn)［6-7］采用的是混合2單元H橋級(jí)聯(lián)的APF，相對(duì)于常規(guī)H級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)；H橋直流側(cè)電壓穩(wěn)定采用零序電流注入的方式，H橋級(jí)聯(lián)單元繼續(xù)增加時(shí)，計(jì)算量會(huì)成倍增大，控制策略會(huì)更加復(fù)雜。

文獻(xiàn)［8-9］中也是采用2單元H橋級(jí)聯(lián)，其采用的調(diào)制方式是調(diào)制波先與層疊的三角波比較得到高低電平，而后再通過(guò)邏輯運(yùn)算得到開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)脈沖，邏輯運(yùn)算復(fù)雜，更多H橋單元級(jí)聯(lián)時(shí)并不適用；另外文獻(xiàn)中采用的H橋單元直流側(cè)平衡策略也受限于文中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，難以推廣。

文獻(xiàn)［10-12］中采用的直流側(cè)電壓平衡策略應(yīng)用在常規(guī)H橋級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中控制效果良好，但是在混合H橋級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中難以推廣。

本文首先給出了混合H橋級(jí)聯(lián)型三相APF的原理結(jié)構(gòu)圖和數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上提出并分析了混合調(diào)制方式，然后本文設(shè)計(jì)了混合H橋級(jí)聯(lián)APF的控制系統(tǒng)，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)本文方案進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。

1 數(shù)學(xué)模型

本文研究的混合H橋級(jí)聯(lián)三相APF的電路拓?fù)淙鐖D1所示，每相由3個(gè)H橋單元級(jí)聯(lián)而成。電氣參數(shù)為：電網(wǎng)相電壓峰值USa，USb，USc=311 V；APF功率等級(jí)P=9 kV·A；濾波電感L=1 mH；等效串聯(lián)損耗R=0.1 Ω；直流母線電容C=6 800 μF；u1，v1，w1的電壓值Udca1；Udcb1，Udcc1=280 V；u2，v2，w2的電壓值Udca2，Udcb2，Udcc2=140 V；u3，v3，w3的電壓值Udca3，Udcb3，Udcc3=70 V；u3，v3，w3的載波頻率為2 000 Hz。

圖1 混合H橋級(jí)聯(lián)三相APF拓?fù)銯ig.1 The topology of a hybrid cascaded H-bridge three-phase APF

建模時(shí)假定滿足如下幾個(gè)條件：

1）三相電網(wǎng)電壓是平衡的；

2）每個(gè)H橋模塊器件參數(shù)相同；

3）每相的濾波電感L是相同的；

4）裝置每相的等效串聯(lián)損耗用R表示。

將APF簡(jiǎn)化成3個(gè)單相電路進(jìn)行建模如下：

式中：i為每相H橋單元的序號(hào)，i=1，2，3；j為三相中的一相，j=a，b，c；icj為j相輸出的補(bǔ)償電流；Udcji為j相第i個(gè)H橋單元直流側(cè)線電壓；UjN為j相逆變側(cè)輸出電壓；USj為j相電網(wǎng)相電壓；UNO為APF中心點(diǎn)電壓相對(duì)于電源中性點(diǎn)的電壓；L為濾波電感；R為等效串聯(lián)電阻；C為直流側(cè)電容。

式中：Sji為j相第i個(gè)H橋單元的開(kāi)關(guān)函數(shù)。

當(dāng)三相電路平衡時(shí)：

2 混合調(diào)制方式

多個(gè)H橋級(jí)聯(lián)可以提高逆變輸出的電平數(shù)，降低輸出波形的畸變率。本文取n=3，則逆變側(cè)輸出的電平數(shù)可以達(dá)到2n+1-1=15。本文提出的混合調(diào)制方式如圖2所示。首先，將給定正弦波vs1與比較電平Vcmp1作比較，當(dāng)vs1＞Vcmp1時(shí)，vcu1= Vcu1；當(dāng)vs1＜-Vcmp1時(shí)，vcu1=-Vcu1；當(dāng)-Vcmp1＜vs1＜Vcmp1時(shí)，vcu1=0。根據(jù)vcu1來(lái)求取H橋1單元開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)脈沖，見(jiàn)表1。

然后，用vs2與比較電平Vcmp2對(duì)比，當(dāng)vs2＞Vcmp2時(shí)，vcu2=Vcu2；當(dāng)vs2＜-Vcmp2時(shí)，vcu2=-Vcu2；當(dāng)-Vcmp2＜vs2＜Vcmp2時(shí)，vcu2=0。根據(jù)vcu2來(lái)求取2單元開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)脈沖，類似于表2中的觸發(fā)規(guī)律。

最后，H橋3單元的觸發(fā)脈沖通過(guò)調(diào)制波vs3來(lái)求取。vs3與三角載波vtri1比較得到脈沖pulse1，pulse1和它的互補(bǔ)脈沖分別驅(qū)動(dòng)H橋3單元的開(kāi)關(guān)管VT31和VT32；三角波vtri1求反得到三角波vtri2，用vs3與vtri2比較得到觸發(fā)脈沖pulse2，pulse2和它的互補(bǔ)脈沖分別驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管VT34和VT33。

圖2 混合調(diào)制方式圖解Fig.2 Diagram for hybrid modulation

表1 H橋單元的觸發(fā)脈沖規(guī)律Tab.1 Trigger rule of H-bridge unit

通過(guò)混合調(diào)制方式，就可以在級(jí)聯(lián)H橋單元的逆變輸出端得到1個(gè)如圖3所示的15電平的階梯波來(lái)逼近正弦給定波。

圖3 級(jí)聯(lián)H橋逆變側(cè)的波形Fig.3 The waveform of the inverter side for the cascaded H-bridge

3 系統(tǒng)控制策略

控制系統(tǒng)分成3個(gè)部分：諧波及無(wú)功電流檢測(cè)、指令電流跟蹤和直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定控制。電流檢測(cè)采用文獻(xiàn)［13］中提出的ip-iq檢測(cè)方法，指令電流跟蹤采取文獻(xiàn)［4］的直接電流控制策略。

各模塊之間的直流側(cè)電容相互獨(dú)立，但是模塊之間串聯(lián)損耗和混合損耗存在差異，如果不施以措施，電容電壓會(huì)偏離正常的工作范圍。本文采用改進(jìn)的雙層控制法［4］，如圖4所示。

圖4 直流側(cè)電壓雙層控制框圖Fig.4 Block diagram of DC voltage double-layer control

3.1 上層總體電壓穩(wěn)定控制

采用上層總體電壓穩(wěn)定控制的主要目的是控制APF各相中3個(gè)H橋模塊的總電壓穩(wěn)定在7E（本文中E=70 V），基于電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的上層總體電壓穩(wěn)定控制如圖5所示，圖中Ujdc3*=E。輸出信號(hào)Vjm就是j相所需的調(diào)制信號(hào)。

圖5 直流側(cè)上層總體電壓穩(wěn)定控制Fig.5 Diagram of total DC voltage upper regulated control

圖5中的j=a，表示對(duì)a相的控制；當(dāng)j=b或c時(shí)，ωt分別用(ωt-2π/3)和(ωt+2π/3)代替。給定初始電壓Udca1=250 V，Udca2=120 V，Udca3=60 V，圖6是在只采用上層總體電壓穩(wěn)定控制時(shí)a相直流側(cè)電壓的動(dòng)態(tài)變化波形?？梢?jiàn)，直流側(cè)電壓不能按照4E∶2E∶E的比例穩(wěn)定在各自的電壓值。

圖6 上層控制各H橋單元直流側(cè)電壓波形Fig.6 Voltage waves of H-bridge units only with upper regulated control

3.2 下層獨(dú)立電容電壓控制

導(dǎo)致電容電壓產(chǎn)生波動(dòng)最直接的原因是電容的充放電，因此在上層控制的基礎(chǔ)上微調(diào)各相內(nèi)H橋單元的開(kāi)關(guān)管脈沖，調(diào)整電容的充電和放電過(guò)程，便可使其得到控制。下層獨(dú)立電容電壓控制的思想，就是在各相內(nèi)每個(gè)H橋單元輸出電壓矢量Uoji（j=a，b，c；i=1，2，3）上疊加一個(gè)與補(bǔ)償電流ic方向平行的小矢量Δvmji,控制每個(gè)H橋單元吸收和釋放的有功功率，進(jìn)而起到控制電容電壓的作用。當(dāng)直流側(cè)電壓Vdcji低于給定值V*dcji時(shí)，控制Δvmji與補(bǔ)償電流ic相同，使H橋單元吸收有功功率，給電容充電；反之亦然。因?yàn)橄聦涌刂剖窃谏蠈涌刂频幕A(chǔ)上進(jìn)行的，不能干擾到上層控制，因此各相的Δvmji必須滿足［4］：

補(bǔ)償電流ic中占絕大部分的是諧波和無(wú)功電流，所以可以近似地把ic的方向取為與電網(wǎng)電壓矢量正交的方向，即ic的方向可以用電網(wǎng)電壓相位的單位余弦信號(hào)cos(ωt)來(lái)代替。圖7是a相下層獨(dú)立電容電壓控制框圖。直流側(cè)電壓波動(dòng)情況如圖8、圖9所示，啟動(dòng)之后，直流側(cè)電壓能很快穩(wěn)定在Udca1∶Udca2∶Udca3=280 V∶140 V∶70 V，3個(gè)單元的總電壓穩(wěn)定在490 V附近；b相和c相的情況亦然。

圖7 下層獨(dú)立電容電壓控制框圖Fig.7 Block diagram of lower regulated control for single capacitors′voltage

圖8a相直流側(cè)總電壓Fig.8 Total voltage wave of DC voltages in phasc-a

圖9a相各H橋單元直流側(cè)電壓Fig.9 DC voltage of cvery H-bidge unit in phase-a

4 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如圖10所示，利用Matlab的Simlink平臺(tái)進(jìn)行綜合仿真驗(yàn)證。

圖10 系統(tǒng)總體控制框圖Fig.10 Block diagram of the overall control ststcm

4.1 穩(wěn)態(tài)性能測(cè)試

如圖11所示，補(bǔ)償前，a相的負(fù)載電流iLa的THD為27.66%；補(bǔ)償之后，a相電網(wǎng)的電網(wǎng)電流iSa的THD為0.69%。如圖12所示，負(fù)載電流中的前50次諧波都得到了有效的補(bǔ)償。

圖11 穩(wěn)態(tài)時(shí)的負(fù)載電流、補(bǔ)償電流、電網(wǎng)電流波形Fig.11 Load current，compensation current and grid current waveforms in the steady state

圖12 電網(wǎng)電流FFT分析Fig.12 FFT analysis of the grid current

4.2 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

動(dòng)態(tài)時(shí)的負(fù)載電流、補(bǔ)償電流、電網(wǎng)電流波形如圖13所示。

圖13 動(dòng)態(tài)時(shí)的負(fù)載電流、補(bǔ)償電流、電網(wǎng)電流波形Fig.13 Load current，compensation current and grid current waveforms in the dynamical state

如圖13所示，在t0點(diǎn)之前系統(tǒng)處于空載狀態(tài)；t0點(diǎn)時(shí)給系統(tǒng)突加負(fù)載，iL瞬間呈現(xiàn)非線性波形，經(jīng)過(guò)不到半個(gè)周期的時(shí)間，iC便能準(zhǔn)確跟蹤指令電流，電網(wǎng)電流iS按單位功率因數(shù)輸出；t1點(diǎn)時(shí)負(fù)載突然加重，iL的幅值瞬間增大，iC在1個(gè)工頻周期內(nèi)便能準(zhǔn)確跟蹤到諧波和無(wú)功電流，使電網(wǎng)電流iS接近新的正弦波；在t2點(diǎn)iL恢復(fù)，iS在1個(gè)工頻周期內(nèi)便能穩(wěn)定地輸出新的正弦波?？梢?jiàn)整個(gè)APF系統(tǒng)表現(xiàn)出比較優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了1個(gè)混合三單元H橋級(jí)聯(lián)的并聯(lián)三相APF，對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，并對(duì)系統(tǒng)的調(diào)制方式和控制策略進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了混合H橋級(jí)聯(lián)型拓?fù)淇梢栽谔岣哐b置電壓等級(jí)的同時(shí)，還能在輸出端輸出更多的電平數(shù)，使輸出電流更加準(zhǔn)確地跟蹤指令值；H橋直流側(cè)電壓的穩(wěn)定采用電壓雙層控制策略，有效地解決了分離電容的電壓穩(wěn)定問(wèn)題；基于混合調(diào)制和電壓雙層控制的混合H橋級(jí)聯(lián)三相APF具有比較良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

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Study of Hybrid H-bridge Cascaded Active Power Filter Based on Hybrid Modulation

ZHANG Guorong，WU Zhiqiang
（Research Center for Photovoltaic System Engineering，Hefei University of Technology，Hefei230009，Anhui，China）

Active power filter is capable of，effectively and real-timely，tracking and compensating harmonic and reactive current varying in the amplitude and frequency，which generated by nonlinear loads.Presented a hybrid H-bridge three-phase APF with 3 units cascaded，as its main circuit was with star configuration，which has a further application prospects in the field of middle and high voltage.At first，the mathematical model was built，and the hybrid modulation method was analyzed in details.Then，instantaneous reactive power theory was adopted to extract the harmonic and reactive current.DC side voltages of H-bridge units were stabilized with using hierarchical control．The simulation results show that the APF designed can effectively compensate the distortion of load current，and the system revealed good steady and dynamic performance.

hybrid H-bridge cascade；active power filter；hybrid modulation；instantaneous power theory；DC voltage hierarchical control

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20161208

2015-11-12

修改稿日期：2016-06-15

廣東省引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃資助（2011N015）；國(guó)家863高技術(shù)基金項(xiàng)目（2015AA050104）

張國(guó)榮（1963-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，Email：zhanggrcao@163.com