基于H橋級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中壓電能質(zhì)量擾動(dòng)源研究

王碧芳，李 軍

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430074）

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，在中高壓配電網(wǎng)中廣泛采用各種AC-AC、AC-DC-AC變頻裝置實(shí)現(xiàn)調(diào)速節(jié)能，此類裝置在變頻過程中可能給電網(wǎng)注入一些非整數(shù)次的間諧波電流。連接兩個(gè)不同頻率電網(wǎng)的換流裝置，以及功率具有波動(dòng)性的電弧爐等用電設(shè)備所產(chǎn)生電流也可能給電網(wǎng)注入更廣泛的頻譜分量［1］。這使得電網(wǎng)中諧波分布的情況越來越復(fù)雜。

由于非整數(shù)次諧波的出現(xiàn)，會(huì)給按照基于完整工頻周期的各種功率定義、諧波計(jì)算及繼電保護(hù)算法等帶來較大的誤差，因?yàn)橛邢迋€(gè)工頻周期的采樣數(shù)據(jù)可能不包含完整的非整數(shù)次諧波信息。該現(xiàn)象的出現(xiàn)將導(dǎo)致電能計(jì)量誤差及電能質(zhì)量分析結(jié)果偏差，同時(shí)也將影響各種基于傳統(tǒng)工頻理論的電力電子設(shè)備的功能效果和穩(wěn)定性。這些影響已逐步引起研究人員的重視，并已開展了關(guān)于間諧波檢測(cè)、間諧波產(chǎn)生機(jī)理及間諧波負(fù)荷模型等研究［1，2］。由于其頻率的不確定性，給間諧波的研究帶來很大的難度。從供電部門角度講，通過構(gòu)建能夠發(fā)出各種電能質(zhì)量功率信號(hào)的擾動(dòng)源對(duì)計(jì)量、監(jiān)測(cè)、保護(hù)及各種電力電子設(shè)備進(jìn)行定性和定量的分析更具有實(shí)際意義。

本文基于H橋級(jí)聯(lián)多電平電路，研究功能全面的電能質(zhì)量擾動(dòng)源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略。采用開關(guān)器件，使得擾動(dòng)源具有功率密度高，自身損耗小，且易于實(shí)現(xiàn)大功率帶載輸出。

2 擾動(dòng)源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于全控型開關(guān)器件的變換電路，通常采用脈寬調(diào)制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)任意波形的輸出。受開關(guān)器件工作頻率有限、死區(qū)時(shí)間及開關(guān)特性非線性等因素的影響，簡(jiǎn)單的兩電平拓?fù)漭敵霾ㄐ沃须y免會(huì)帶有一些非特征分量，會(huì)給測(cè)試帶來不必要的干擾。

如圖1所示，采用H橋級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以提高等效開關(guān)頻率和輸出波形質(zhì)量，也可以降低器件耐壓水平，直接實(shí)現(xiàn)中高壓輸出，非常適合作為高壓擾動(dòng)源的拓?fù)?。圖1中每個(gè)功率單元為結(jié)構(gòu)相同的H橋背靠背四象限變流器，可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)。整流側(cè)單元實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流和直流電壓控制，獨(dú)立工作。逆變側(cè)單元根據(jù)擾動(dòng)源輸出要求進(jìn)行相應(yīng)調(diào)制，并且與其余單元的逆變側(cè)級(jí)聯(lián)，通常級(jí)聯(lián)的單元采用移相PWM調(diào)制，H橋中兩個(gè)半橋的載波反相［3］。

擾動(dòng)源按照輸出性質(zhì)可以分為電壓型擾動(dòng)源和電流型擾動(dòng)源，電壓型擾動(dòng)源模擬電網(wǎng)某一供電節(jié)點(diǎn)，按照設(shè)定模擬各種電壓波形輸出。電流型擾動(dòng)源模擬各種典型負(fù)荷，輸出各種電流波形，注入給電網(wǎng)或用電設(shè)備。圖1所示電路按照接線及控制方式的不同，可以實(shí)現(xiàn)兩種模式。

圖1 H橋級(jí)聯(lián)單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采取該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩個(gè)難點(diǎn)：①輸出諧波次數(shù)較高時(shí)，逆變單元為保證調(diào)制效果，需要較高的開關(guān)頻率，會(huì)帶來損耗增加的問題；②輸出電流中含有非整數(shù)次諧波，尤其是頻率接近工頻的非整數(shù)次諧波時(shí)，直流電壓的波動(dòng)頻率將不再是工頻的整數(shù)倍，給直流電壓控制帶來問題。

3 逆變側(cè)調(diào)制模式

單相H橋可以等效為兩個(gè)共調(diào)制波但載波與反相的半橋串聯(lián)，如圖2所示為其調(diào)制波形示意圖。為了達(dá)到較好的調(diào)制效果，調(diào)制波頻率與載波頻率必須滿足。因此，輸出波形的頻率越高，要求載波頻率即開關(guān)頻率越高，開關(guān)器件的功耗會(huì)大大增加，給單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來麻煩。

圖2 H橋PWM調(diào)制示意圖

H橋級(jí)聯(lián)電路通常采取載波移相的方法來倍增等效開關(guān)頻率，但仍然要求每個(gè)H橋的載波頻率必須滿足fc＞＞fr。因此，假定輸出50次諧波，按照fc＞2fr關(guān)系來設(shè)計(jì)，開關(guān)頻率至少要滿足5kHz以上，才能保證疊加后的波形效果。而疊加后等效開關(guān)頻率為2N×5kHz，其中N為每相串聯(lián)的單元數(shù)，這個(gè)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于需輸出的諧波頻率。如果按照這種模式進(jìn)行調(diào)制無法體現(xiàn)載波移相的優(yōu)勢(shì)，也會(huì)增加開關(guān)損耗。

對(duì)于級(jí)聯(lián)電路，疊波調(diào)制也是一種方法。該方法在保證總體等效開關(guān)頻率基礎(chǔ)上，可以降低每個(gè)開關(guān)器件的開關(guān)次數(shù)。如圖3所示，每個(gè)H橋載波峰-峰值為載波移相方式下的1／N，相位相同，但是幅值依次疊加。其中 uci+，uci-，i＝1…N 分別為兩個(gè)半橋的載波。按照中模式調(diào)制，每個(gè)開關(guān)器件在一個(gè)調(diào)制波周期中只有的時(shí)間動(dòng)作，其余時(shí)間保持固定開關(guān)狀態(tài)［4］。如圖4為采用疊波方法下，輸出工頻加上50次高頻諧波的波形及其頻譜。

圖3 疊波PWM調(diào)制示意圖

圖4 基波加50次諧波調(diào)制效果

圖5 電流擾動(dòng)源模式系統(tǒng)等效示意圖

圖6 逆變側(cè)控制策略

圖7 整流側(cè)控制策略

4 輸出非整數(shù)次諧波時(shí)直壓控制策略

如圖5所示，電流擾動(dòng)源模擬各種負(fù)載給電網(wǎng)注入任意電流，在擾動(dòng)電流注入點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。如圖6所示，逆變側(cè)采用電流控制策略確保注入電流逼進(jìn)指令電流；如圖7所示，整流側(cè)采用直流電壓控制及單位功率因數(shù)控制確保直流電容電壓的平衡，同時(shí)實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。

如果電流擾動(dòng)裝置輸出電流為某非整數(shù)次諧波如式（1），

其中：p為諧波次數(shù)，是非整數(shù)；f1為基波頻率。如圖 1（b）所示有：

假定整流側(cè)不工作，則：

如圖 6 所示，開關(guān)函數(shù) S5／6與 S7／8為逆變器控制策略獲得的調(diào)制電壓與三角載波比較后獲得。在高壓系統(tǒng)中，調(diào)制電壓中主要分量為系統(tǒng)電壓us，則開關(guān)函數(shù)的頻譜主要是調(diào)制電壓中的基頻，開關(guān)頻率fc、以及2fc附近的一些頻率分量。由于開關(guān)頻率fc及2fc＞＞f1，對(duì)直流電壓波動(dòng)影響不大。因此在分析直流電壓波動(dòng)時(shí)可近似表示為：

帶入式（3）可得：

其中：M為調(diào)制比，經(jīng)過變換后可得：

其中：Udc0為直流電壓波動(dòng)的直流分量，后面兩項(xiàng)為直流電壓的波動(dòng)分量。當(dāng)輸出電流頻率與工頻接近，由于 p≈1，因此 1+p＞＞1-p，式中第二項(xiàng)波動(dòng)幅度要小于第三項(xiàng)波動(dòng)幅度。由此可知，直流電壓中含有低頻波動(dòng)分量，波動(dòng)頻率與工頻和非整數(shù)次諧波的頻率差有關(guān)，兩個(gè)頻率越接近，波動(dòng)幅度越大。

如圖8所示，輸出45Hz電流時(shí)直流電壓波形及其頻譜的仿真結(jié)果?？梢钥闯觯绷麟妷褐饕且粋€(gè)5Hz的波動(dòng)分量，由于波動(dòng)頻率低，且不是工頻周波的整數(shù)倍，意味著逆變器與工頻電源的功率交換周期不是工頻的整數(shù)倍。而單位功率因數(shù)整流控制方法，是以每個(gè)工頻周期的直流電壓平均值為控制目標(biāo)，通過控制電流為一有功電流來維持直流電壓平均值平衡，直流電壓瞬時(shí)值的波動(dòng)靠電容來平衡。顯然在圖8所示的工況下，控制效果較差，如不采取其它控制策略只有依靠加大電容容量來限制直流電壓的波動(dòng)。

圖8 輸出45Hz電流時(shí)直流電壓波形及頻譜

分析直流電壓變化時(shí)只考慮了逆變側(cè)電流，如圖5所示，實(shí)際上整流側(cè)電流隨著整流開關(guān)管的作用也會(huì)對(duì)直流電壓波動(dòng)產(chǎn)生影響，分析方法類似。作為電源擾動(dòng)發(fā)生裝置，在實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)電流輸出目標(biāo)的前提下，應(yīng)盡量減小對(duì)電網(wǎng)的影響，因此可以考慮在整流側(cè)也輸出一個(gè)相反的非整數(shù)次諧波電流，一方面可以減小注入電網(wǎng)中的諧波，另一方面可以平衡直流電壓的波動(dòng)。此時(shí)整流側(cè)控制框圖如圖9所示，與原來相比加入了一個(gè)非整數(shù)次指令電流。如圖10所示為整流側(cè)加入相反指令電流后直流電壓波形及其頻譜的仿真波形，從圖9中可以看出，直流電壓波動(dòng)基本平穩(wěn)，消除了圖8中的5Hz分量。

圖9 改進(jìn)后整流側(cè)控制策略

圖10 輸出45Hz電流時(shí)直流電壓波形及頻譜

5 結(jié)論

本文針對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)中出現(xiàn)的諧波頻率及含量日益復(fù)雜的情況，研究了一種電能直流擾動(dòng)源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并針對(duì)該結(jié)構(gòu)的兩個(gè)關(guān)鍵問題提出了相應(yīng)的控制策略：輸出高次諧波時(shí)采用疊波PWM調(diào)制，在保證調(diào)制效果的同時(shí)，可以有效降低各單元的平均開關(guān)頻率；逆變側(cè)輸出接近工頻頻率的非整數(shù)次諧波電流時(shí)，通過在整流側(cè)控制環(huán)中加入一個(gè)相反的指令電流，不僅可以維持直流電壓的平衡，還可以有效抑制對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)，給出的仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的正確性和有效性。

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