級聯(lián)H橋APF軟啟動方式的研究

汪玉鳳，段本濤，馮 穎

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島125105；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司鐵嶺供電公司，鐵嶺 112000）

有源濾波器APF（active power filter）是動態(tài)抑制諧波和補償無功的一種裝置，可以有效改善電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量[1-2]。APF投入電網(wǎng)后，由于IGBT有反向并聯(lián)二極管，此時會進行整流。因為兩電平APF與級聯(lián)多電平APF的拓撲結(jié)構(gòu)不同，所以其整流充電效果不同，在此過程中，會有電壓的劇烈變化，而交流濾波電感很小，如果不對電流有所限制會出現(xiàn)很大的沖擊電流，可能會燒毀IGBT與直流側(cè)電容。另外，在整流階段級聯(lián)APF的電容電壓要比兩電平APF距離實際設(shè)定值變差大，若是依靠與交流側(cè)交換能量達到實際設(shè)定值，仍會產(chǎn)生較大的沖擊電流。因此APF投入需要進行軟啟動，以便抑制沖擊電流和直流電容電壓波動對APF器件的影響。目前研究的APF軟啟動方法，多應(yīng)用于兩電平的APF[3-6],文獻[7]提出一種電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)軟啟動控制策略；文獻[8]采用自調(diào)整因子的模糊控制規(guī)則設(shè)計了直流側(cè)電容電壓的模糊軟啟動控制器，具有精度高、魯棒性強的特點；文獻[9]針對APF沖擊電流和電壓的問題提出一種改進型PI控制策略，軟啟動效果較好；文獻[10]針對400 Hz航空電網(wǎng)，為避免級聯(lián)單元間直流側(cè)電容電壓不均衡，提出了一種新穎的均壓控制策略。但是，針對多電平APF出現(xiàn)的電壓沖擊問題研究的還較少。

本文針對級聯(lián)H橋APF的電壓沖擊問題，在兩電平APF軟啟動方法的基礎(chǔ)上[11]，提出級聯(lián)多電平APF軟啟動的方法。在不改變原有級聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的前提下，提出采用預(yù)充電、升壓充電、切除充電電阻3個階段的軟啟動方式，并詳細分析了軟啟動過程中電容電壓上升的原因。最后對級聯(lián)APF軟啟動的方法進行仿真及實驗驗證，驗證了所提軟啟動方法的有效性。

1 級聯(lián)APF拓撲結(jié)構(gòu)

級聯(lián)H橋APF基本拓撲如圖1所示。

級聯(lián)H橋采用三相星形接法，每相由N個H橋級聯(lián)組成，N取決于SAPF的容量、電網(wǎng)電壓等因素，各H橋直流側(cè)電容獨立與不影響。開關(guān)器件選用大功率電子器件絕緣柵雙極晶體管。圖中：Usk（k=a，b，c，下同）為三相電網(wǎng)側(cè)電壓；isk為電網(wǎng)側(cè)電流；iLk為負載側(cè)電流；iCk為級聯(lián)逆變器輸出的補償電流；Vkdci（i=1，2，…，N）為 H 橋直流側(cè)電容電壓。

由圖1可知，級聯(lián)APF的拓撲結(jié)構(gòu)遠比兩電平APF拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)用于兩電平APF的啟動方式并不能滿足級聯(lián)APF的啟動。

圖1 級聯(lián)H橋多電平SAPF拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Multi-level topology of cascade H-bridge SAPF

2 級聯(lián)APF軟啟動方式的研究

級聯(lián)多電平APF與兩電平APF相同，原始的整流電路不足以達到補償?shù)碾妷旱燃壱?，也需要對其進行升壓，之后用控制算法將其穩(wěn)定。在現(xiàn)有文獻中，少有文獻提及級聯(lián)多電平的軟啟動，其拓撲結(jié)構(gòu)比兩電平APF更復(fù)雜，使得其軟啟動過程更復(fù)雜。本文所研究的級聯(lián)SAPF啟動方式與兩電平APF啟動過程相同，由預(yù)充電階段、升壓充電階段、切除充電電阻3個階段組成。

2.1 預(yù)充電階段

以A相為例，級聯(lián)多電平APF在整流充電階段單相等效電路，如圖2所示，電網(wǎng)電壓ea，濾波電感L，充電電阻R，開關(guān)管V反向并聯(lián)二極管VD，直流電容C，等效電壓Uon，此處Uon為級聯(lián)APF星形接法的公共節(jié)點與電網(wǎng)公共節(jié)點的電壓差，在預(yù)充電過程中Uon為一交流電壓，在與A相電網(wǎng)電壓疊加后仍是交流電，為了便于分析，將疊加后的電壓等效為標準正弦電壓Us。

在Us正半周期，當(dāng)電壓大于2nUD即2n個二極管導(dǎo)通電壓時，每個H橋單元的VD1、VD4導(dǎo)通，每個H橋單元的電阻分壓為（Us-2nUD）/n，在Us負半周期時，與正半周期類似，其中VD2與VD3導(dǎo)通。每個H橋單元的電阻分壓仍為（Us-2nUD）/n，由于二極管導(dǎo)通壓降電壓較小，在理想狀態(tài)下可以忽略，于是得出平均電壓的表達式為

在實際電容充電過程中，電容電壓將穩(wěn)定在電壓的峰值，即每個H橋單元電容整流階段的電壓為。

圖2 單相等效電路Fig.2 Single-phase equivalent circuit

如前文所述Uon為級聯(lián)APF星形接法的公共節(jié)點與電網(wǎng)公共節(jié)點的電壓差，在整流過程中Uon為交流電壓，由于ABC三相的相位不同，與Uon疊加后的等效電壓也會不相同，導(dǎo)致在整流充電階段出現(xiàn)電容電壓充電不平衡的情況。

2.2 升壓充電階段

級聯(lián)APF其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)決定了不能用簡單的boost升壓電路將電容電壓升高。為了不改變原有的拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)級聯(lián)APF的電容充電，本文將級聯(lián)拓撲的開關(guān)管進行控制，將圖2所示的各H橋單元V4開關(guān)管打開，此時V3開關(guān)管不再起作用，其簡化拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中n個電容的串聯(lián)，可以等效為一個電容控制各H橋單元V2同時開通和關(guān)斷。Uon為電網(wǎng)等效中點和直流側(cè)N端之間的等效電位差,設(shè)初始狀態(tài)為，此時直流電容電壓為，在各 V2開關(guān)管導(dǎo)通時，Uon=－ea－uL，在各 V2開關(guān)管關(guān)斷時ea－uL－uD，其中 uL、uD分別為電感電壓與二極管壓降電壓。設(shè)V2的開通時間為ton，斷開時間為toff，故周期T可表示成

設(shè)V2開通此階段交流濾波電感La上存儲的能量為（Uon+ea）iaton，此時各個 H 橋單元的 VD1均無作用；當(dāng)V2處于斷態(tài)時，斷開的開關(guān)管V2相當(dāng)于大電阻，與除第1個H橋的其余各個H橋的斷開的V1構(gòu)成回路，此時VD1中流過較小的電流釋放一部分電容電壓能量，使各個電容的電壓略有下降，但影響并不是很大。此階段交流濾波電感上釋放的能量為（Ud－Uon－ea）iatoff。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期 T中交流濾波電感La存儲與釋放的能量相等,即

圖3 級聯(lián)等效升壓電路Fig.3 Cascaded equivalent boost circuit

但在實際應(yīng)用時，如果給定脈沖寬度的占空比過小，其整個升壓充電過程會很慢。當(dāng)達到要求值時APF的響應(yīng)時間過長，所以一般采用大占空比，通過定時，控制脈沖數(shù)的方式對APF的直流電壓進行充電。

由于各相等效的電壓不同，所以要求在各相充電時PWM脈寬各不相同，以達到最好的充電效果。

2.3 切除充電電阻階段

現(xiàn)有文獻中，APF軟啟動時在預(yù)充電結(jié)束后就將充電電阻切除[10]，但在實際實驗中發(fā)現(xiàn)，采用上述方式切除電阻容易燒毀IGBT，為保證級聯(lián)APF的安全，所以本文所研究的級聯(lián)APF軟啟動中切除充電電阻應(yīng)該在升壓充電結(jié)束后、APF工作之前。在級聯(lián)SAPF軟啟動過程中升壓充電階段電容串聯(lián)，在充電階段充電電流經(jīng)過每個電容，所以整個充電過程只需一個充電限流電阻。

3 仿真與實驗

在不改變原有拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，搭建級聯(lián)H橋7電平APF的Matlab仿真模型，驗證所提軟啟動方法的可行性。仿真結(jié)果對比了使用軟啟動時電容電壓充電波形和直接使用電容電壓平衡控制算法對APF進行充電的波形。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4為傳統(tǒng)算法對APF充電的電容電壓波形，圖5為使用軟啟動方式對APF充電的電容電壓波形圖。

對比圖4、圖5可知，由電容電壓平衡控制算法對直流側(cè)電容進行充電會造成較大的電壓波動，相內(nèi)、相間電容電壓都會造成不同程度的電壓不平衡；軟啟動方式對直流側(cè)電容進行充電，根據(jù)不同相對電容電壓進行充電，級聯(lián)APF在整流充電階段因為最后等效電壓差接近于0，各相對電容充電達到飽和，電容電壓達到設(shè)定值，雖然需要一定的充電時間，但最后會接近一致，不會造成過大相間電容電壓不平衡，而且不會造成相內(nèi)電容電壓的不平衡。

圖4 傳統(tǒng)算法充電電容電壓波形Fig.4 Waveform of charging capacitor voltage using the traditional algorithm

圖5 軟啟動方式電容電壓波形Fig.5 Waveform of capacitor voltage in soft-start mode

為進一步驗證本文所提級聯(lián)APF軟啟動方式的正確性，搭建了級聯(lián)7電平SAPF實驗樣機，樣機參數(shù)如下：電網(wǎng)電壓380 V、50 Hz；經(jīng)三相整流接阻感負載 10 Ω、5 mH、1 000 W；IGBT 參數(shù)為 1 700 V、100 A；選用落木源IGBT集成驅(qū)動模塊；直流側(cè)電容為450 V、2 200 μF；APF輸出端濾波電抗器為1 mH；直流側(cè)單電容電壓為235 V；樣機采用控制器為TMS320LF2812型DSP和EP4CE 15F17C8型FPGA。系統(tǒng)采樣頻率9.6 kHz。IGBT的開關(guān)頻率為9.6 kHz。最后所得的軟啟動充電A相電容電壓之和的波形如圖6所示，A相兩H橋單相電容電壓波形如圖7所示。

由圖6、圖7可知采用軟啟動方式對直流側(cè)電容電壓進行充電，充電過程平穩(wěn)，不會對APF造成沖擊，相內(nèi)電容電壓在軟啟動過程中幾乎不存在電容電壓不平衡。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果是一致的，證明了本文所提出的的軟啟動方式的正確性與可行性。

圖6 A相電容電壓之和Fig.6 Sum of A-phase capacitor voltages

圖7 A相兩H橋單相電容電壓Fig.7 A-phase capacitor voltage of two single-phase H-bridges

4 結(jié)語

本文針對級聯(lián)APF在啟動過程中存在電壓沖擊的問題，提出一種適用于級聯(lián)APF的軟啟動方法，詳細地論述了電容電壓上升的原因，最后對所提出的軟啟動方式進行了仿真與實驗。比較了采用電容電壓平衡控制對電容電壓充電的方式與軟啟動方式的充電波形，結(jié)果表明，軟啟動方式可以將電容電壓有效充電至設(shè)定值，不會造成過大的相間電容電壓不平衡，也不會造成相內(nèi)電容電壓不平衡，有效解決了級聯(lián)APF啟動過程中對APF造成的沖擊問題。對工程應(yīng)用具有一定的借鑒價值。