級聯H橋結構諧波與無功發生器設計

謝珍貴

(福建水利電力職業技術學院，福建 永安 366000)

0 引 言

電力電子系統化已經成為一種電力趨勢，越來越多的工業控制領域中采用了電力電子器件，甚至是新能源領域的核心控制設備也是由電力電子裝置構成。這些電力電子器件大量投入到電力系統中，給電力系統帶來了許多問題，問題之一就是這些電力電子器件的投入本質上就是一個諧波源，并且使得系統高度非線性化。

隨著人們對電能質量越來越高的要求，并且電力電子器件的大量投入系統，原始的電力系統已經發生了深刻改變，對用電設備甚至整個系統都產生了嚴重危害和影響[1]。依據目前的技術水平，通過查閱大量國內外文獻，針對諧波治理和無功補償問題，最有效的方法還是通過可控的電力電子器件去解決這些問題。

目前，電力電子器件以GTO、BJT和IGBT為全控性代表，不斷向高頻、大容量的方向發展，特別是以這些器件為基礎的無功補償裝置、電力有源濾波器裝置得到了長足的發展。以電力有源濾波器為例，采用電力電子器件構成的濾波器比LC濾波器性能更好。因此，文章就并聯型有源電力濾波器進行了設計和研究。

1 有源電力濾波器簡介

采用全控型器件構成的有源電力濾波器，如圖1所示，該電路主要由三部分組成：系統電源、有源濾波器和諧波源三部分[2-3]。其中非線性負載部分及產生諧波，也消耗無功，必須進行諧波消除和無功補償。圖中的有源電力濾波器由兩部分組成：一部分是進行指令電流的計算環節；另一部分是指令電流的生成環節[4]。

在電力電子電路中，電感和電容元件都是儲能元件，因此在電路中均可充當直流源的作用，電感充當電流源，電容充當電壓源。兩種元件為開關電路提供條件，因此，有源電力濾波器按照儲能元件作用方式的不同，其可分為電壓型和電流型兩種。

圖1 有源電力濾波器的基本原理圖

電壓型有源濾波器的機理是根據檢測電壓信號的大小，轉換為PWM脈沖，通過作用在電力電子器件上輸出電壓，該電壓經過連接電抗形成補償電流的過程；電流型有源濾波器其儲能元件是電感，該類型的電力濾波器相比于電壓型有源濾波器，不會由于開關器件的直通出現短路故障，但是該電路的大電感內部將損耗大量能量，因此電壓型電力有源濾波器得到了廣泛應用[5]。

2 級聯H橋變換器的結構分析

2.1 級聯H橋變換器的結構分析

級聯H橋變換器內部主要是有源濾波器功能，但是也可以實現無功發生器的功能。該變換器的核心環節是對無功電流和諧波電流的檢測過程，因此，諧波電流和無功電流的檢測是進行諧波治理和無功補償的基礎[6]。根據指令電流的計算結果，轉化為開關信號作用于級聯H橋上，產生相應大小的補償電流，就實現了對負載無功消耗和諧波的補償過程。

圖1中，有源濾波器的檢測和驅動電路主要是對指令電流的計算過程，根據中iLa、iLb、iLc無功電流和諧波電流的大小，通過檢測計算環節，得到大小相同、相位相差180°的指令電流，并且將該指令電流信號通過PWM波方式作用于級聯H橋電路中，產生補償電流ica、icb、icc，這樣就使得兩者電流相互抵消，基本電流中不含有無功電流和諧波電流分量，這樣就達到了諧波治理也無功補償的目標[7-8]。

2.2 級聯H橋變換器的主電路設計

如圖1所示，主電路的工作原理：補償電流ica、icb、icc是由主電路中直流側電容電壓與交流側電源電壓的差值作用于電感上產生的。主電路的工作情況是由主電路中級聯H橋開關器件的通斷組合所決定的。通常，加入電力濾波裝置后，補償點的三相電壓、電流是對稱的。因此，假設：

eca+ecb+ecc=0

(1)

ica+icb+icc=0

(2)

并且按照圖1的電路結構，級聯H橋輸出的直流電壓為Udc，可得回路微分方程如下：

(3)

(4)

(5)

式中kaVdc、kbVdc、kcVdc為級聯H橋的輸出電壓。雖然H橋并聯電容的方向是一致的，用直流量Vdc表示，但是由于開關導通狀態及電流方向的改變，級聯H橋輸出電壓不呈現直流性質。

ka+kb+kc=0

(6)

式中ka、kb、kc為三相級聯H橋的開關系數。

將式(3)～式(5)中電壓電流進行解耦控制，因此首先將三相靜止坐標系變換到兩相靜止坐標系，這樣就出現了α和β坐標系，得到α和β坐標系數學模型：

(7)

再將式(7)在d和q坐標系下進行變換，經過Park變換之后可得到dq坐標系下的數學模型：

(8)

具體向量變換關系如圖2所示。

圖2 Park變換向量關系

3 級聯H橋變換器控制策略

直接電流控制采用了電流內環與功率外環的控制方式，因此也被稱為雙閉環控制法[9-10]。雙閉環控制框圖如圖3所示。外環分為d軸分量和q軸分量：d軸用于控制交流系統有功功率和直流側電壓；q軸用于控制無功功率和交流側電壓。內環用于保證逆變器的輸出交流電流能夠跟蹤外環控制輸出電流指令，輸出逆變器電壓參考波，由PWM實現開關控制。假設外環以有功功率和無功功率為控制目標，則Ap和Aq分別就是測量所得計算值Pac和Qac，形成了外環的反饋環節。

圖3 控制方法框圖

在搭建雙閉環控制模型時，主要根據級聯H橋有源濾波器的數學模型。按照式(8)，假設變換器輸出電壓的d軸和q軸分量分別為Vd，Vq：

(9)

(10)

并且：

(11)

將式(11)中a相進行拉普拉斯變換即得：

sLIa(s)=Va(s)-RIa(s)-Ea(s)

(12)

忽略三相H橋之間的差異性，則：

(13)

得到控制框結構圖如圖4所示。

圖4 控制結構圖

圖3是級聯H橋變換器整個雙環控制結構圖，圖4重點針對內環控制器給出闡述，內環主要用于保證逆變器的輸出交流電流能夠跟蹤外環控制輸出電流指令，輸出逆變器電壓參考波，由PWM實現開關控制。輸入量Vsd和Vsq主要是根據指令電流經過PI控制后對應的電壓量值，經過內環解耦控制，形成級聯H橋輸出電壓的過程。

4 級聯H橋變換器的仿真分析

按照圖1所示的電路結構，首先對非線性負載環節進行設計，采用PSCAD軟件進行仿真，將級聯H橋變換器按照負載性質設計為多次諧波源和無功發生源[11-12]，模型簡圖如圖5所示，圖6為級聯H橋變換器內部結構。

圖5 諧波與無功源模型

圖6 模型電路圖

圖6該類型的變換器可以實現有源濾波器的功能，也可以實現無功發生器的功能，可以根據輸出電壓、電流的等級選擇H橋級聯數目，在圖6中，選擇兩個級聯H橋進行試驗，形成5電平結構。

(1)當負載表現為3次諧波性質時，可以通過對級聯橋變換器的輸入指令進行設置，可以得到相應的輸出電流的次數以及幅值大小，如圖7、圖8所示。

圖7 輸入電壓/輸出電流波形一

圖8 A相電流FFT分析

(2)級聯H橋變換器輸出為13次諧波時，得到相應結果如圖9所示。

圖9 輸入電壓/輸出電流波形二

(3)當負載表現為無功源性質時，可以設置級聯H橋變換器發出無功功率，如圖10、圖11所示。

圖10 調制波與逆變電壓波形

圖11 電壓電流比對波形

通過圖7、圖9可以看出，級聯H橋變換器可以按照設置發出目標次諧波，并且目標次諧波幅值可以按照要求進行設置，可實現諧波發生器的功能。通過圖11波形可以看出，在指定時刻投入無功發生器功能后，電流超前電壓90°，可實現無功發生器的功能[13-14]。

5 結束語

以級聯H橋變換器為研究目標，通過實現諧波源的發生過程和無功源的發生過程，驗證了該結構可以實現諧波與無功的統一調節[15]。由于諧波消除與無功補償的機理均是采用抵消原則，因此，文章通過PSCAD/EMTDC軟件設計了諧波源和無功源，通過試驗結果驗證了該方法在理論上的可行性。