周天奇

（四川信息職業(yè)技術學院，四川 廣元 628040）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，大功率電力電子器件被廣泛應用，其中由于大功率電力電子器件的非線性和不對稱性，產(chǎn)生了大量的諧波和無功等問題。近年來，由諧波和無功對供電系統(tǒng)電能質(zhì)量影響的治理受到越來越多的關注，而對于供電系統(tǒng)中的無功和諧波等問題，可以采用傳統(tǒng)的無源LC濾波器進行特定次的諧波消除，能補償固定容量無功方案，但其缺點是僅能對某特定次諧波進行治理，動態(tài)性和精準性能較差，并且體積較大?；旌嫌性措娏V波器由于無源濾波支路的存在，整個補償系統(tǒng)的設計變得更加復雜。而有源電力濾波器能夠克服無源濾波的缺點并且可以實時高效動態(tài)地治理諧波，還能有效地抑制諧波等問題，所以有源電力濾波器得到了快速的發(fā)展。

級聯(lián)H橋多電平技術需要將多個變流器串聯(lián)連接，可應用在高電壓大功率裝置上，具有輸出諧波小、反應速度快、開關頻率低等優(yōu)點，所以本文采用級聯(lián)H橋多級技術。級聯(lián)H橋多電平模塊是串聯(lián)的，相互獨立，會出現(xiàn)電壓不平衡問題。當前的主要控制方法有傳統(tǒng)PI控制、自適應控制、模糊控制等方法。其中，傳統(tǒng)PI控制可以滿足直流電壓穩(wěn)定的要求，但存在超調(diào)等問題。自適應控制方法比較復雜，控制運算時占用資源多、穩(wěn)定性差。模糊控制算法不依賴于系統(tǒng)，魯棒性較強，但控制精度較差[1]。因此，針對上述直流側電壓的控制方法，引入了內(nèi)外層控制方法，外層控制采用雙閉環(huán)控制算法。其中電壓外環(huán)分為全局穩(wěn)壓和各模塊均壓PI控制，內(nèi)層控制疊加了網(wǎng)側方向的電流矢量。

在高電壓、大功率環(huán)境中常規(guī)的載波相移調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM）策略可以完美地展現(xiàn)出其優(yōu)點，并且能夠提高開關器件的開關頻率?；诖耍疚囊胼d波相移梯形波脈寬調(diào)制（Carrier Phase Shifting Trapezoidal Wave Pulse Width Modulation, CPS-TPWM）策略使其能有良好的諧波特性，同時不會出現(xiàn)超調(diào)的情況[2]。

本文以級聯(lián)H橋多電平載波相移梯形波調(diào)制有源電力濾波器為研究對象，分析其原理和調(diào)制過程。本文引入直流側電容電壓控制算法，最后通過模擬進行驗證。

1 級聯(lián)H橋型有源電力濾波器

圖1為有源電力濾波器結構原理，iS為交流電源、iL為負載電流、iC為補償電流、為實際需要補償?shù)碾娏鱗3]。有源電力濾波器的工作系統(tǒng)主要包括電網(wǎng)、諧波源非線性負載、有源電力濾波器，其中有源電力濾波器由4部分組成，包括指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路[3]。

圖1 有源電力濾波器的系統(tǒng)結構圖

有源電力濾波器的系統(tǒng)結構圖中指令電流運算電路是對電網(wǎng)中的電流進行諧波與無功檢測，電流跟蹤電路、驅(qū)動電路和主電路主要是將檢測出來的諧波和無功進行補償。由指令電流運算電路檢測出來的電流作為電流跟蹤控制電路的輸入信號，再通過驅(qū)動電路作用到主電路中產(chǎn)生補償電流iC注入電網(wǎng)中，以此方法來完成對諧波和無功的補償。

2 調(diào)制策略方法研究

本文所應用的傳統(tǒng)的CPS-SPWM調(diào)制策略的調(diào)制原理是：在H橋數(shù)量為N的變流單元中，共同采用調(diào)制波信號M(t)，頻率為ω，單個變流模塊中三角載波頻率fc=Kc，其中載波比為Kc，每個三角載波的相位之間錯開1/2N個周期，當N=3，載波比Kc=20，幅度調(diào)制比M=0.9。通過以上方法疊加可以得出，變流器輸出波形更接近正弦波形[4-6]。

采用CPS-SPWM調(diào)制方法的級聯(lián)型多電平變流器在相同數(shù)量的變頻器對比下，大大減小了輸出諧波與無功，能顯著地改善輸出波形質(zhì)量，使其更加接近正弦波。載波相移調(diào)制技術可以提高等效開關頻率使輸出電壓等效頻率提升為載波頻率的N倍。通過以上分析可以得出結論：傳統(tǒng)CPS-SPWM調(diào)制策略可以提高等效開關頻率。而采用CPS-TPWM調(diào)制策略是在傳統(tǒng)CPS-SPWM調(diào)制策略的基礎上針對高電壓、大功率環(huán)境下進行研究。其中梯形波調(diào)制信號為us，它是由三角波信號ust在幅值±Ast之間通過進行限幅得到的[4-5]。As為調(diào)制波的幅值，Ac為載波的幅值，調(diào)制比M=As/Ac≤1。通過分析可知，在三角系數(shù)為0.4時，此時的梯形波調(diào)制情況是最好的。

3 控制方法研究

穩(wěn)態(tài)電容電壓直流分量與調(diào)制比、脈沖時延差、并聯(lián)損耗和混合損耗有關，且與電容和串聯(lián)損耗無關，從能量交換的觀點可以定性地解釋。對于直流容量的情況，如果輸入量大于各種損失，則其兩端電壓上升，反之亦然。脈沖延遲改變輸入功能量的傳輸，并且間接地影響電容電壓的幅度。并聯(lián)損耗和混合損耗與直流電壓呈正相關[7-8]。因此，并聯(lián)損耗和混合損耗在穩(wěn)態(tài)時對電容電壓的平衡有一定的影響。電容容量與損耗和輸入能量無關，電容之間的差異在動態(tài)過程中影響每個電容電壓，但不影響穩(wěn)定電壓值。電容電壓的不平衡是由上述各種因素的長時間累積所引起的。為了保證有源電力濾波器的正常工作，需要控制電容電壓的穩(wěn)定和平衡。

外層控制通過電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制實現(xiàn)有源電力濾波器直流側電壓總電壓的穩(wěn)定性，輸出補償電流。內(nèi)層控制采用有功電壓矢量疊加的平衡控制算法，在保證總電壓穩(wěn)定的前提下，微調(diào)各單元的調(diào)制信號，實現(xiàn)各變流器單元的直流側電壓平衡[9-10]。

主電路串聯(lián)直流側的總電壓穩(wěn)定通過外層控制來實現(xiàn)，使指令電流能夠快速有效地進行準確的跟蹤。每個串聯(lián)的模塊給定的直流側電壓和每個模塊的平均值進行作差比較，得到其過程結果通過比例KP進行調(diào)節(jié)，得出的輸出值與需要進行補償?shù)膯挝徽倚盘杝inωt相乘得到有功電流分量。有源電力濾波器需要的指令控制電流為諧波和無功的電流分量和有功電流分量疊加而成。每個H橋因自身器件的不同，在其工作中的損耗也不同，結果使主電路系統(tǒng)中每個模塊直流側電壓存在著不同。在有源電力濾波器處于正常運行時，總調(diào)制波A帶有一定毛刺和畸變的正弦波。以單個H橋為例進行分析，描述單個H橋在工作情況下充放電過程，規(guī)定以單個H橋在流入H橋時的方向為正方向。每個H橋模塊的工作情況可以分為4種情況，通過對電壓和電流的流經(jīng)方向?qū)ζ溥M行分析。

1）在H橋模塊進行充電時，穩(wěn)壓電壓大于直流電壓指令值時，?A1的方向與A相反，將?A1與A疊加得到實際的調(diào)制波A1，相當于減緩了調(diào)制波A的充電能力，使H橋的充電功率減小。

2）在H橋模塊進行充電時，穩(wěn)壓電壓小于直流電壓指令值時，?A1的方向與A相同，將?A1與A疊加得到實際的調(diào)制波A1，相當于增大了調(diào)制波A的充電能力，使H橋的充電功率增大。

3）在H橋模塊進行放電時，穩(wěn)壓電壓大于直流電壓指令值時，?A1的方向與A相同，將?A1與A疊加得到實際的調(diào)制波A1，相當于增大了調(diào)制波A的放電能力，使H橋的放電功率增大。

4）在H橋模塊進行放電時，穩(wěn)壓電壓小于直流電壓指令值時，?A1的方向與A相反，將?A1與A疊加得到實際的調(diào)制波A1，相當于減緩了調(diào)制波A的放電作用，使H橋的放電功率減小。

4 結果分析及驗證

本文在MATLAB/Simulink環(huán)境下，建立3H橋級聯(lián)多電平有源電力濾波器模型。雖然傳統(tǒng)的PI控制方法、自適應控制方法、內(nèi)外層控制方法幾乎可以滿足直流側的總電壓220 V，但是采用傳統(tǒng)的PI控制方法總電壓在0.08 s時達到穩(wěn)定狀態(tài)，采用自適應控制方法總電壓在0.06 s時能達到穩(wěn)定狀態(tài)，由于自適應的控制方法實現(xiàn)比較復雜，而采用內(nèi)外層控制方法總電壓在0.03 s時就能達到穩(wěn)定狀態(tài)。通過以上數(shù)據(jù)分析可以得出內(nèi)外層控制能夠快速地使總電壓達到穩(wěn)定狀態(tài)。

對于均壓環(huán)節(jié)而言，傳統(tǒng)PI控制方法在總電壓穩(wěn)定的情況下，三個模塊存在著約15 V的電壓差異；自適應控制方法在總電壓穩(wěn)定的情況下，三個模塊存在著約8 V的電壓差異；而內(nèi)外層控制方法在總電壓穩(wěn)定的情況下，三個模塊存在著約2 V的電壓差異。通過對三種控制方法的比較分析，本文描述的內(nèi)外層控制方法在直流電壓穩(wěn)定性和均衡性方面明顯優(yōu)于常規(guī)PI控制方法和自適應控制方法。

5 結論

傳統(tǒng)的CPS-SPWM調(diào)制策略應用于單相級聯(lián)H橋有源電力濾波器中，不能有效地治理諧波和無功；將載波相移梯形波脈沖寬度調(diào)制策略引入級聯(lián)H橋多電平有源電力濾波器時，一定程度上提高了諧波的補償特性?；诩壜?lián)H橋多電平有源電力濾波器直流側電壓平衡問題，提出內(nèi)外層控制方法，通過模擬驗證，將內(nèi)外層控制方法應用于級聯(lián)H橋有源電力功率濾波器后可以提高各單元模塊直流側電容電壓的穩(wěn)定性和平衡性，具有現(xiàn)實應用意義。