葉傅華, 王江濤, 吳 鵬

上海電氣輸配電集團 上海 200042

1 研究背景

級聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)是目前中高壓等級電力電子設備最具發(fā)展前景的主電路拓撲,其拓撲結(jié)構(gòu)簡單,容易擴展為不同容量及電壓等級,可以批量化生產(chǎn)子單元,在系統(tǒng)級設計定制化控制策略?；贖橋級聯(lián)的各類電力電子設備,包括有源電力濾波器、靜止無功補償裝置[1]、電力電子變壓器[2]、儲能設備[3]、動態(tài)電壓恢復器[4]等,都得到了飛速發(fā)展和應用。

傳統(tǒng)的諧波抑制方法是采用LC調(diào)諧濾波器,因結(jié)構(gòu)簡單且可補償無功,一直被廣泛應用,但是容易受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響,動態(tài)性能較差。目前,諧波抑制的一個重要發(fā)展方向是采用有源電力濾波器[5]。

級聯(lián)H橋有源電力濾波器直流電壓的均衡對裝置的整體穩(wěn)定運行至關重要,因此直流側(cè)電壓的均衡策略得到了人們越來越多的關注和研究。劉文華等[6]提出一種基于直流母線能量交換的直流電壓平衡控制方法,但電路結(jié)構(gòu)復雜,設備成本較高。黃海宏等[7]考慮電網(wǎng)電壓的不對稱情況,通過在交流側(cè)加入負序電壓實現(xiàn)三相之間功率的重新分配,以實現(xiàn)直流側(cè)電壓的平衡。彭詠龍等[8]提出一種自適應比例積分控制,代替?zhèn)鹘y(tǒng)比例積分控制,實現(xiàn)有源電力濾波器總直流電壓、相間直流電壓及相內(nèi)直流電壓的均衡。有源電力濾波器正常工作時基波電流非常小,筆者根據(jù)這一特點,使控制裝置輸出一個穩(wěn)定的基波正序無功電流,用以提高相內(nèi)均壓的控制效果。筆者在低壓實驗平臺上搭建了兩級級聯(lián)單元,驗證直流電壓控制的有效性,為后續(xù)高壓試驗及實際中高壓應用提供理論基礎。

2 直流電壓波動原因

級聯(lián)H橋有源電力濾波器主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中:Us_a、Us_b、Us_c為電網(wǎng)單相電壓,L為濾波電抗器,R為單相損耗等效電阻,Ia、Ib、Ic為有源電力濾波器單相補償電流,Udc_a1～Udc_aN、Udc_b1～Udc_bN、Udc_c1～Udc_cN為單相級聯(lián)直流電壓,Uc_a1～Uc_aN、Uc_b1～Uc_bN、Uc_c1～Uc_cN為H橋單元輸出電壓。定義Uc_a、Uc_b、Uc_c為交流側(cè)單相輸出總電壓。

圖1 級聯(lián)H橋有源電力濾波器主電路拓撲結(jié)構(gòu)

根據(jù)文獻[9],有:

(1)

如果H橋單元的直流側(cè)均壓為Udc,電容值為C,那么根據(jù)能量守恒關系有:

(2)

設有源電力濾波器的調(diào)制比為M,電壓角頻率為ω,時間為t,無功控制角為δ,則有:

(3)

聯(lián)立式(1)、式(2)、式(3),設電網(wǎng)相電壓幅值為Us,設備輸出電流d軸、q軸分量分別為Id和Iq,進行dq坐標變換,可得:

(4)

由于式(4)中δ值較小,因此第三行可簡化為:

(5)

由式(5)可以看出,直流電壓波動受調(diào)制比、濾波電感、級聯(lián)單元數(shù)、電容、電流有功分量影響。在控制策略中,可以調(diào)節(jié)的有調(diào)制比與有功電流分量。一般調(diào)制比與系統(tǒng)功能控制策略有關,可以通過微調(diào)提高均壓效果。通過調(diào)節(jié)有功電流分量,可以從系統(tǒng)吸收有功功率,補償裝置運行過程中的直流電壓損耗,達到穩(wěn)定總直流電壓的目的。

3 直流電壓控制

3.1 總直流電壓控制

級聯(lián)H橋有源電力濾波器總直流電壓控制與傳統(tǒng)逆變器控制原理相同,即通過控制裝置輸出的有功功率來穩(wěn)定直流電壓。級聯(lián)H橋有源電力濾波器總直流電壓控制原理框圖如圖2所示。

(6)

3.2 相間直流電壓控制

根據(jù)文獻[10],級聯(lián)H橋變流器可以不吸收電網(wǎng)功率,僅通過相間功率交換,實現(xiàn)設備三相間電壓的均衡控制。有源電力濾波器的功能為補償負載諧波電流,因此不考慮其輸出負序電流,則三相功率波動控制可以通過增加一個零序電壓來實現(xiàn)。功率波動關系式為:

(7)

式中:U0為注入的零序電壓幅值;Ip為輸出的基波電流正序分量有效值。

圖3 級聯(lián)H橋有源電力濾波器相間直流電壓控制原理框圖

(8)

3.3 相內(nèi)直流電壓控制

由于H橋各個模塊之間存在參數(shù)差異,單相內(nèi)各個直流電壓間也有不同,因此需要采用相內(nèi)均壓策略實現(xiàn)底層的直流電壓控制。級聯(lián)H橋有源電力濾波器單元主電路如圖4所示。當有源電力濾波器電流流入電容,即向電容充電時,直流電壓升高。當有源電力濾波器電流流出電容,即向電容放電時,直流電壓降低。

圖4 級聯(lián)H橋有源電力濾波器單元主電路

圖5 級聯(lián)H橋有源電力濾波器相內(nèi)直流電壓控制原理框圖

有源電力濾波器在直流電壓穩(wěn)定后的整流過程中及補償負載諧波電流時,僅輸出極小的基波電流,相內(nèi)均壓的符號判斷誤差會引起相內(nèi)均壓失敗。對此,提出控制有源電力濾波器輸出一個穩(wěn)定的小無功電流,用以提高相內(nèi)均壓的控制效果。

4 試驗驗證

為了驗證級聯(lián)H橋有源電力濾波器直流電壓控制策略的正確性,在380 V電壓等級下搭建了兩級級聯(lián)H橋有源電力濾波器試驗樣機,單個單元直流電壓控制為300 V,網(wǎng)側(cè)濾波器電感為3 mH,開關頻率為3 kHz。

第一次試驗,采用所研究的電壓控制策略,但未采用經(jīng)過修正的相內(nèi)均壓措施,單獨發(fā)五次諧波電流時,同一相的兩個子單元直流電壓分別為298 V和312 V,并有發(fā)散的趨勢,如圖6所示。

圖6 第一次試驗結(jié)果

第二次試驗,采用經(jīng)過修正的相內(nèi)均壓策略,控制有源電力濾波器輸出2 A基波電流、五次30 A諧波電流,直流電壓穩(wěn)定在300 V左右,很好地實現(xiàn)了相內(nèi)均壓效果,同時三相總直流電壓穩(wěn)定在600 V左右,如圖7所示。

圖7 第二次試驗結(jié)果

5 結(jié)束語

筆者在分析直流電容電壓波動的基礎上,提出了級聯(lián)H橋有源電力濾波器直流電壓控制策略。通過控制基波正序有功電流,控制總電壓穩(wěn)定。通過調(diào)節(jié)相間有功分布,控制相間均壓。通過在每個子單元上疊加一個電壓矢量,實現(xiàn)相內(nèi)均壓。根據(jù)有源電力濾波器的特點,使控制裝置輸出一個穩(wěn)定的基波正序無功電流,用以提高相內(nèi)均壓的控制效果。在低壓實驗平臺上搭建了兩級級聯(lián)單元,驗證了直流電壓控制策略的有效性,為后續(xù)高壓試驗及實際中高壓應用提供了理論基礎。