基于高頻隔離的負序級聯(lián)式補償電路拓撲

賈鵬宇 劉建強 黃 堯 鄭瓊林

（北京交通大學電氣工程學院 北京 100044）

1 引言

隨著電力電子裝置和各種不對稱及非線性負載的大量使用，負載產(chǎn)生的負序和諧波電流注入到電網(wǎng)中，影響了電網(wǎng)的供電質(zhì)量，同時也會造成電網(wǎng)大量的附加損耗。有源電力濾波器APF能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中的諧波和負序電流進行較好補償[1]，但是在高壓系統(tǒng)如鐵路牽引供電系統(tǒng)中，由于受到器件制造工藝和耐壓等限制，有源電力濾波器只能采用級聯(lián)H橋單元[2,3]進行諧波和無功補償。由于拓撲結(jié)構(gòu)的限制，采用星型連接的級聯(lián)型有源濾波器的每相上的各單元電容能量僅限于一相中進行交換，無法進行三相之間的電容能量交換，這就導致此拓撲在高壓領(lǐng)域中只能進行三相負載平衡狀態(tài)下諧波及無功補償，無法進行有效地負序電流補償。一些參考文獻[4]提出了三角形連接的級聯(lián)H橋構(gòu)成的U-STATCOM，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)三相之間的能量交換以補償負序電流，但是僅能用于三相三線制系統(tǒng)，且直流側(cè)二次脈動較大。

本文提出了一種基于三端口直流隔離雙向變換器的補償電路拓撲，該電路通過內(nèi)部相互耦合的高頻變壓器作為負序能量交換的通路，可以實現(xiàn)對于三相電路的無功，諧波以及負序能量的補償。該電路按照星型連接的接線方式進行級聯(lián)，從而實現(xiàn)高壓條件下的應(yīng)用，在三相三線和三相四線制系統(tǒng)中均可。由于三繞組高頻變壓器的引入，這種新的電路拓撲可以降低系統(tǒng)中直流電壓的二次脈動，從而減少直流側(cè)所需電容量。

本文給出了該電路拓撲的原理性分析，對兩級系統(tǒng)為例的仿真模型進行了分析，通過仿真驗證了該拓撲對于負序電流的補償作用，最后給出了三相系統(tǒng)中單級補償裝置對于不平衡電阻負載的小功率補償試驗結(jié)果。

2 補償系統(tǒng)的實現(xiàn)原理

如圖1為級聯(lián)式負序補償系統(tǒng)的示意圖，A，B，C 為三相電網(wǎng)，isa，isb，isc為網(wǎng)側(cè)電流，ica，icb，icc為補償器輸出電流，ila，ilb，ilc為負載電流，只有A相接電阻負載，電網(wǎng)存在負序電流。補償系統(tǒng)包含N個單級系統(tǒng)，每一級結(jié)構(gòu)相同，如圖2中點畫線所示。AC-DC部分采用H橋結(jié)構(gòu)并聯(lián)電容器，即單相PWM整流器的結(jié)構(gòu)，直流側(cè)連接在三端口直流雙向變流器上，通過半橋逆變器將直流電壓逆變成方波加在高頻隔離變壓器的繞組上。

圖1 級聯(lián)補償系統(tǒng)示意圖Fig.1 Multilevel compensation system

圖2 單級補償系統(tǒng)示意圖Fig.2 Single level compensation system

對于雙向直流隔離變換器（圖2中點畫線所示），假設(shè)控制三端口逆變的電壓均為50%占空比的方波，三個端口的直流電壓相同，可以控制三個逆變器橋臂的開關(guān)信號相位即控制變壓器三個繞組上的電壓方波相位來控制能量的流向[5,6]，以維持三端口雙向直流變換器并聯(lián)電容上的直流電壓值相等。三端口直流隔離雙向變換器的等效電路[6,7]如圖3所示。

圖3 三端口變換器等效電路Fig.3 Equivalent circuit of three port converter

以端口 A的方波電壓相位為參考，φab表示端口A，B之間的相位差，定義φab＞0表示A端口電壓方波超前B端口電壓方波，φab＜0表示A端口電壓滯后于B端口，同理，φac表示端口A，C的相位差，φbc表示端口B，C的相位差，用箭頭表示能量流向，得能量流動隨相位角的變化關(guān)系如圖4所示，能量從相位超前端口流向相位滯后端口。

由于直流側(cè)電容的支撐，認為直流側(cè)的電壓恒定，三個單相 PWM整流器直流側(cè)與三端口雙向變換器相連，交流側(cè)連接上下級補償裝置，從而構(gòu)成三相四線制的補償系統(tǒng)。通過 PWM整流器進行交流側(cè)電流的控制，保持直流側(cè)的電壓跟隨指令值不變，并且實現(xiàn)任意功率因數(shù)運行，補償電網(wǎng)電流。

圖4 相位角與端口能量流動關(guān)系示意圖Fig.4 Relation of phase angle and direction of power flow

如果三相負載平衡，負載電流除了有功分量外，僅含有無功分量和諧波分量，補償器只需要補償無功和諧波時，根據(jù)瞬時無功功率理論，電源此時只需要提供負載所需的瞬時有功功率和瞬時無功功率的直流分量，它們所對應(yīng)的電源電流等于負載電流的基波分量。此時對于并聯(lián)補償裝置的瞬時有功功率的平均值為零，使得直流側(cè)電壓保持不變，僅有一些波動（受有功功率的交流分量影響）。

當負載不平衡時，就會產(chǎn)生負序電流，需要補償一定的有功電流以實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)三相電流平衡，由于并聯(lián)補償裝置的瞬時有功功率的平均值不為零，直流側(cè)和交流側(cè)將進行能量交換，直接影響到直流側(cè)電容上的電壓變化。

綜上，對于本文中的拓撲，直流三端口雙向變換器作為有功功率傳輸?shù)暮诵牟糠?，三個端口電容電壓的指令需要加入到有功功率電流，而為了保證三個端口電壓相等，需要對三端口直流變換器進行移相控制來保證。

擴展到N級系統(tǒng)的情況，每級都可以實現(xiàn)能量交換，直流側(cè)均壓，最后一級接地。當電網(wǎng)中有負序電流產(chǎn)生的時候，將會導致其中的各相連接的直流側(cè)的電容電壓不平衡。通過補償裝置的級聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)多電平逆變，這樣相較于單級補償系統(tǒng)的三電平逆變而言，可以減少補償電流中的諧波，交流側(cè)的電流跟隨效果將會更好。采用載波移相的控制策略[3]進行單極性調(diào)制，假設(shè)N級相同電壓等級的三電平H橋進行級聯(lián)，級聯(lián)之后的交流側(cè)部分逆變電壓電平數(shù)將會為2N+1。圖5以兩級系統(tǒng)級聯(lián)為例畫出了構(gòu)建5電平逆變電壓的示意圖，其中兩級間的載波移相角為90°。

圖5 兩級載波移相示意圖Fig.5 Two-level carrier phase-shifting schematic

3 補償系統(tǒng)的控制及仿真

圖6 負序補償算法原理Fig.6 Principle of two-level compensation system

仿真結(jié)果如圖 7～圖 9所示，其中網(wǎng)側(cè)電壓波形如圖 7中的usource所示，負載電流波形如iload所示，網(wǎng)側(cè)電流波形isa，isb，isc如isource所示，補償器輸出電流如icompensated所示，兩級中單相 H橋的直流側(cè)電壓分別如圖 8中Udc1A，Udc2A，Udc3A和Udc1B，Udc2B，Udc3B所示。從圖7，圖8可以看出，三相電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流同相位并且三相電流平衡，直流側(cè)電壓穩(wěn)定在指令值250V。取補償器的A，B，C各相電感連接的級聯(lián)H橋與地之間的電壓波形如圖9所示，可見，通過載波移相形成了5電平電壓，實現(xiàn)了直流電壓的高壓逆變。

圖7 兩級系統(tǒng)仿真交流側(cè)變量圖示Fig.7 Variables in AC side of two-level system

圖8 兩級系統(tǒng)級聯(lián)仿真直流側(cè)電壓圖示Fig.8 Voltage in DC side of two-level system simulation

圖9 每相級聯(lián)H橋逆變電壓波形（usa，usb，usc）Fig.9 Voltage inverted from h-bridge cascaded of each phase（usa，usc，usc）

4 單級補償系統(tǒng)試驗研究

搭建小功率實驗平臺（見圖10）模擬電網(wǎng)中的單級負序補償情況，其中三相電源電壓有效值為40V，負載電阻Rl=10Ω接在 A相電網(wǎng)中作為單相負載電阻，補償裝置并聯(lián)接入電網(wǎng)，其中補償器的3個電感均為10mH，得到實驗波形如圖11～圖12所示。

圖10 單級補償系統(tǒng)實物圖Fig.10 The photo of single level system equipment

圖 11比較了補償器未運行和運行后 A相電網(wǎng)電壓及電流波形，圖12為運行補償器后三相網(wǎng)側(cè)電流波形。

由圖11和圖12可知，補償器未運行，網(wǎng)側(cè)A相電流即為 A相負載電流，電流值為 4A。當補償器運行時，三相網(wǎng)側(cè)電流實現(xiàn)了均衡，電流有效值約為1.3A，相位互差120°，各相網(wǎng)側(cè)電壓和電流同相位，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為 1。補償器從電網(wǎng) B，C相吸收能量進而反饋給A相，使A相網(wǎng)側(cè)電流減小，其有效值約為原來的1/3，而B，C兩相電流也與A相電流相等，實現(xiàn)了三相四線制電網(wǎng)下負序電流和零序電流的補償，改善了負載不平衡引起的電網(wǎng)電流不均衡的情況。

圖11 補償前后A相電壓及電流波形Fig.11 Voltage and current waveforms of phase A of grid before and after the compensation

圖12 補償后三相網(wǎng)側(cè)電流波形Fig.12 Three phase grid current waveforms after compensation

5 結(jié)論

本文提出了一種可以補償三相四線制電網(wǎng)中負序電流的拓撲結(jié)構(gòu)，以直流三端口雙向變流器為負序能量交換通路，實現(xiàn)了三相電路相間的隔離能量交換，保證了在系統(tǒng)級聯(lián)時對于電網(wǎng)中負序電流補償?shù)目尚行浴Ｍㄟ^Matlab進行了仿真分析，仿真結(jié)果驗證了該拓撲電路在兩級級聯(lián)情況下的可行性，并搭建單級小功率平臺模擬電網(wǎng)進行實驗研究。試驗結(jié)果表明，該方法可以實現(xiàn)負序電流補償，能夠?qū)崿F(xiàn)能量在電網(wǎng)各相之間的隔離交換，為大功率級聯(lián)提供了基礎(chǔ)。

[1]Wei Xueliang, Dai Ke, Lei Qin, et al. Performance analysis of three-phase three-wire shunt active power filter compensating for unbalanced loads[C]. Proceedings of the 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 2007: 1875-1879.

[2]Lai Jihheng, Peng Fangzheng. Multilevel converters-a new breed of power converters[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1996, 32(3): 509-517.

[3]Li Jianlin, Hu Changsheng, Wang Liqiao, et al. APF based on multilevel voltage source cascade converter with carrier phase shifted SPWM [active power filter][C]. Proceedings of the Conference on Convergent Technologies for Asia-Pacific Region,2003, 1: 264-267.

[4]Peng F Z, Jin Wang. A universal STATCOM with delta-connected cascade multilevel inverter[C].Proceedings of the 35th IEEE Annual Conference on Power Electronics Specialists, 2004, 5: 3529-3533.

[5]Zhao Chuanhong, Kolar J W. A novel three-phase three-port UPS employing a single high-frequency isolation transformer[C]. Proceedings of the 35th IEEE Annual Conference on Power Electronics Specialists,2004, 6: 4135-4141.

[6]Duarte J L, Hendrix M, Simoes M G. Three-port bidirectional converter for hybrid fuel cell systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(2):480-487.

[7]Ganz A. A simple, exact equivalent circuit for the three-winding transformer[J]. IRE Transactions on Component Parts, 1962, 9(4): 212-213.

[8]Akagi Hirofumi, Kanazawa, Yoshihira, Nabae Akira.Instantaneous reactive power compensators comprising switching devices without energy storage components[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 1984,IA-20(3): 625-630.

[9]Tao H, Kotsopoulos A, Duarte J L, et al. Multi-input bidirectional DC-DC converter combining DC-link and magnetic-coupling for fuel cell systems[C].Proceedings of the Industry Applications Conference,2005, 3: 2021-2028.