級聯H橋有源電力濾波器直流電壓控制策略研究

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H橋結構是目前中高壓等級電力電子設備最具發展前景的主電路拓撲,其拓撲結構簡單,容易擴展為不同容量及電壓等級,可以批量化生產子單元,在系統級設計定制化控制策略。基于H橋級聯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]、動態電壓恢復器[4]等,都得到了飛速發展和應用。

傳統的諧波抑制方法是采用LC調諧濾波器,因結構簡單且可補償無功,一直被廣泛應用,但是容易受電網阻抗和運行狀態影響,動態性能較差。目前,諧波抑制的一個重要發展方向是采用有源電力濾波器[5]。

級聯H橋有源電力濾波器直流電壓的均衡對裝置的整體穩定運行至關重要,因此直流側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,但電路結構復雜,設備成本較高。黃海宏等[7]考慮電網電壓的不對稱情況,通過在交流側加入負序電壓實現三相之間功率的重新分配,以實現直流側電壓的平衡。彭詠龍等[8]提出一種自適應比例積分控制,代替傳統比例積分控制,實現有源電力濾波器總直流電壓、相間直流電壓及相內直流電壓的均衡。有源電力濾波器正常工作時基波電流非常小,筆者根據這一特點,使控制裝置輸出一個穩定的基波正序無功電流,用以提高相內均壓的控制效果。筆者在低壓實驗平臺上搭建了兩級級聯單元,驗證直流電壓控制的有效性,為后續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H橋有源電力濾波器主電路拓撲結構如圖1所示。圖1中:Us_a、Us_b、Us_c為電網單相電壓,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為交流側單相輸出總電壓。

圖1 級聯H橋有源電力濾波器主電路拓撲結構

根據文獻[9],有:

(1)

如果H橋單元的直流側均壓為Udc,電容值為C,那么根據能量守恒關系有:

(2)

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

(3)

聯立式(1)、式(2)、式(3),設電網相電壓幅值為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,直流電壓波動受調制比、濾波電感、級聯單元數、電容、電流有功分量影響。在控制策略中,可以調節的有調制比與有功電流分量。一般調制比與系統功能控制策略有關,可以通過微調提高均壓效果。通過調節有功電流分量,可以從系統吸收有功功率,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H橋有源電力濾波器總直流電壓控制與傳統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定直流電壓。級聯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

根據文獻[10],級聯H橋變流器可以不吸收電網功率,僅通過相間功率交換,實現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。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 相內直流電壓控制

由于H橋各個模塊之間存在參數差異,單相內各個直流電壓間也有不同,因此需要采用相內均壓策略實現底層的直流電壓控制。級聯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H橋有源電力濾波器單元主電路

圖5 級聯H橋有源電力濾波器相內直流電壓控制原理框圖

有源電力濾波器在直流電壓穩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,相內均壓的符號判斷誤差會引起相內均壓失敗。對此,提出控制有源電力濾波器輸出一個穩定的小無功電流,用以提高相內均壓的控制效果。

4 試驗驗證

為了驗證級聯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,網側濾波器電感為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,但未采用經過修正的相內均壓措施,單獨發五次諧波電流時,同一相的兩個子單元直流電壓分別為298 V和312 V,并有發散的趨勢,如圖6所示。

圖6 第一次試驗結果

第二次試驗,采用經過修正的相內均壓策略,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,直流電壓穩定在300 V左右,很好地實現了相內均壓效果,同時三相總直流電壓穩定在600 V左右,如圖7所示。

圖7 第二次試驗結果

5 結束語

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