張國榮，武志強

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

基于混合調制的混合H橋級聯(lián)APF研究

張國榮，武志強

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

有源電力濾波器能夠有效地、實時地跟蹤補償非線性負載產(chǎn)生的幅值、頻率變化的諧波和無功電流。研究了一種星型結構的混合3單元H橋級聯(lián)三相APF，在中高壓領域有比較廣闊的應用前景。首先對其進行了數(shù)學建模，詳細地分析了混合調制方式；指令電流采用基于瞬時無功功率理論的方法進行提取，H橋模塊直流側電壓采用分層控制來實現(xiàn)穩(wěn)壓。通過仿真驗證了設計的APF能夠有效地補償負載電流中的畸變成分，系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。

混合H橋級聯(lián)；有源電力濾波器；混合調制方式；瞬時功率理論；直流電壓分層控制

隨著經(jīng)濟與社會的發(fā)展，電力電子設備已經(jīng)被大量應用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活，而絕大多數(shù)的電力電子設備屬于非線性負載，在工作的過程會污染電網(wǎng)，進而影響接入電網(wǎng)其他設備的正常運行。

有源電力濾波器作為解決諧波污染的最有效手段之一，能夠實時跟蹤補償非線性負載產(chǎn)生的諧波，近年來發(fā)展迅速，已經(jīng)成為眾多學者關注的焦點。但是受限于開關器件（IGBT）的耐壓等級和開關速度的限制，APF在中高壓領域的應用時，常需要結合無源濾波器組成混合APF，或者使用改進型的多電平APF?；旌螦PF在設計時要兼顧無源濾波器和有源濾波器，工作量大［1］；多電平APF是解決APF在中高壓領域應用的一個有效方案。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橋級聯(lián)型［4-5］以及本文研究的混合H橋級聯(lián)型［6-9］。

H橋級聯(lián)型結構的每個H橋單元結構類似，易于模塊化實現(xiàn)，通過增加級聯(lián)的H橋數(shù)目能夠大幅度地提高裝置的耐壓等級，增加逆變輸出的電平數(shù)，同時降低輸出波形的諧波量和畸變率。常規(guī)n單元H橋級聯(lián)型APF的每個H橋模塊直流側電壓相同，可以逆變輸出（2n+1）個電平［4-7］；本文研究的混合H橋級聯(lián)型APF的直流側電壓穩(wěn)定值按照1∶2∶22∶…∶2n-1分配，逆變側的輸出電平數(shù)可以達到（2n+1-1），級聯(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［6-7］采用的是混合2單元H橋級聯(lián)的APF，相對于常規(guī)H級聯(lián)結構并沒有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢；H橋直流側電壓穩(wěn)定采用零序電流注入的方式，H橋級聯(lián)單元繼續(xù)增加時，計算量會成倍增大，控制策略會更加復雜。

文獻［8-9］中也是采用2單元H橋級聯(lián)，其采用的調制方式是調制波先與層疊的三角波比較得到高低電平，而后再通過邏輯運算得到開關管的觸發(fā)脈沖，邏輯運算復雜，更多H橋單元級聯(lián)時并不適用；另外文獻中采用的H橋單元直流側平衡策略也受限于文中拓撲結構，難以推廣。

文獻［10-12］中采用的直流側電壓平衡策略應用在常規(guī)H橋級聯(lián)結構中控制效果良好，但是在混合H橋級聯(lián)結構中難以推廣。

本文首先給出了混合H橋級聯(lián)型三相APF的原理結構圖和數(shù)學模型，在此基礎上提出并分析了混合調制方式，然后本文設計了混合H橋級聯(lián)APF的控制系統(tǒng)，最后通過仿真實驗驗證對本文方案進行了可行性驗證。

1 數(shù)學模型

本文研究的混合H橋級聯(lián)三相APF的電路拓撲如圖1所示，每相由3個H橋單元級聯(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橋級聯(lián)三相APF拓撲Fig.1 The topology of a hybrid cascaded H-bridge three-phase APF

建模時假定滿足如下幾個條件：

1）三相電網(wǎng)電壓是平衡的；

2）每個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簡化成3個單相電路進行建模如下：

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

式中：Sji為j相第i個H橋單元的開關函數(shù)。

當三相電路平衡時：

2 混合調制方式

多個H橋級聯(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，則逆變側輸出的電平數(shù)可以達到2n+1-1=15。本文提出的混合調制方式如圖2所示。首先，將給定正弦波vs1與比較電平Vcmp1作比較，當vs1＞Vcmp1時，vcu1= Vcu1；當vs1＜-Vcmp1時，vcu1=-Vcu1；當-Vcmp1＜vs1＜Vcmp1時，vcu1=0。根據(jù)vcu1來求取H橋1單元開關管的觸發(fā)脈沖，見表1。

然后，用vs2與比較電平Vcmp2對比，當vs2＞Vcmp2時，vcu2=Vcu2；當vs2＜-Vcmp2時，vcu2=-Vcu2；當-Vcmp2＜vs2＜Vcmp2時，vcu2=0。根據(jù)vcu2來求取2單元開關管的觸發(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)脈沖通過調制波vs3來求取。vs3與三角載波vtri1比較得到脈沖pulse1，pulse1和它的互補脈沖分別驅動H橋3單元的開關管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和它的互補脈沖分別驅動開關管VT34和VT33。

圖2 混合調制方式圖解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

通過混合調制方式，就可以在級聯(lián)H橋單元的逆變輸出端得到1個如圖3所示的15電平的階梯波來逼近正弦給定波。

圖3 級聯(lián)H橋逆變側的波形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個部分：諧波及無功電流檢測、指令電流跟蹤和直流側電容電壓穩(wěn)定控制。電流檢測采用文獻［13］中提出的ip-iq檢測方法，指令電流跟蹤采取文獻［4］的直接電流控制策略。

各模塊之間的直流側電容相互獨立，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，電容電壓會偏離正常的工作范圍。本文采用改進的雙層控制法［4］，如圖4所示。

圖4 直流側電壓雙層控制框圖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Vjm就是j相所需的調制信號。

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

圖5中的j=a，表示對a相的控制；當j=b或c時，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a相直流側電壓的動態(tài)變化波形?？梢?，直流側電壓不能按照4E∶2E∶E的比例穩(wěn)定在各自的電壓值。

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

3.2 下層獨立電容電壓控制

導致電容電壓產(chǎn)生波動最直接的原因是電容的充放電，因此在上層控制的基礎上微調各相內H橋單元的開關管脈沖，調整電容的充電和放電過程，便可使其得到控制。下層獨立電容電壓控制的思想，就是在各相內每個H橋單元輸出電壓矢量Uoji（j=a，b，c；i=1，2，3）上疊加一個與補償電流ic方向平行的小矢量Δvmji,控制每個H橋單元吸收和釋放的有功功率，進而起到控制電容電壓的作用。當直流側電壓Vdcji低于給定值V*dcji時，控制Δvmji與補償電流ic相同，使H橋單元吸收有功功率，給電容充電；反之亦然。因為下層控制是在上層控制的基礎上進行的，不能干擾到上層控制，因此各相的Δvmji必須滿足［4］：

補償電流ic中占絕大部分的是諧波和無功電流，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cos(ωt)來代替。圖7是a相下層獨立電容電壓控制框圖。直流側電壓波動情況如圖8、圖9所示，啟動之后，直流側電壓能很快穩(wěn)定在Udca1∶Udca2∶Udca3=280 V∶140 V∶70 V，3個單元的總電壓穩(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橋單元直流側電壓Fig.9 DC voltage of cvery H-bidge unit in phase-a

4 仿真實驗驗證

如圖10所示，利用Matlab的Simlink平臺進行綜合仿真驗證。

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)性能測試

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

圖11 穩(wěn)態(tài)時的負載電流、補償電流、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 動態(tài)性能測試

動態(tài)時的負載電流、補償電流、電網(wǎng)電流波形如圖13所示。

圖13 動態(tài)時的負載電流、補償電流、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點之前系統(tǒng)處于空載狀態(tài)；t0點時給系統(tǒng)突加負載，iL瞬間呈現(xiàn)非線性波形，經(jīng)過不到半個周期的時間，iC便能準確跟蹤指令電流，電網(wǎng)電流iS按單位功率因數(shù)輸出；t1點時負載突然加重，iL的幅值瞬間增大，iC在1個工頻周期內便能準確跟蹤到諧波和無功電流，使電網(wǎng)電流iS接近新的正弦波；在t2點iL恢復，iS在1個工頻周期內便能穩(wěn)定地輸出新的正弦波?？梢娬麄€APF系統(tǒng)表現(xiàn)出比較優(yōu)良的動態(tài)性能。

5 結論

本文設計了1個混合三單元H橋級聯(lián)的并聯(lián)三相APF，對其進行了數(shù)學建模，并對系統(tǒng)的調制方式和控制策略進行了分析和設計。通過仿真實驗驗證了混合H橋級聯(lián)型拓撲可以在提高裝置電壓等級的同時，還能在輸出端輸出更多的電平數(shù)，使輸出電流更加準確地跟蹤指令值；H橋直流側電壓的穩(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)定問題；基于混合調制和電壓雙層控制的混合H橋級聯(lián)三相APF具有比較良好的穩(wěn)態(tài)和動態(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

廣東省引進創(chuàng)新科研團隊計劃資助（2011N015）；國家863高技術基金項目（2015AA050104）

張國榮（1963-），男，博士，教授，博士生導師，Email：zhanggrcao@163.com