級(jí)聯(lián)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(tuán) 上海 200042

1 研究背景

級(jí)聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)是目前中高壓等級(jí)電力電子設(shè)備最具發(fā)展前景的主電路拓?fù)?其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易擴(kuò)展為不同容量及電壓等級(jí),可以批量化生產(chǎn)子單元,在系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)定制化控制策略。基于H橋級(jí)聯(lián)的各類電力電子設(shè)備,包括有源電力濾波器、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置[1]、電力電子變壓器[2]、儲(chǔ)能設(shè)備[3]、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器[4]等,都得到了飛速發(fā)展和應(yīng)用。

傳統(tǒng)的諧波抑制方法是采用LC調(diào)諧濾波器,因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且可補(bǔ)償無(wú)功,一直被廣泛應(yīng)用,但是容易受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響,動(dòng)態(tài)性能較差。目前,諧波抑制的一個(gè)重要發(fā)展方向是采用有源電力濾波器[5]。

級(jí)聯(lián)H橋有源電力濾波器直流電壓的均衡對(duì)裝置的整體穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要,因此直流側(cè)電壓的均衡策略得到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)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(jié)構(gòu)復(fù)雜,設(shè)備成本較高。黃海宏等[7]考慮電網(wǎng)電壓的不對(duì)稱情況,通過(guò)在交流側(cè)加入負(fù)序電壓實(shí)現(xiàn)三相之間功率的重新分配,以實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的平衡。彭詠龍等[8]提出一種自適應(yīng)比例積分控制,代替?zhèn)鹘y(tǒng)比例積分控制,實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器總直流電壓、相間直流電壓及相內(nèi)直流電壓的均衡。有源電力濾波器正常工作時(shí)基波電流非常小,筆者根據(jù)這一特點(diǎn),使控制裝置輸出一個(gè)穩(wěn)定的基波正序無(wú)功電流,用以提高相內(nèi)均壓的控制效果。筆者在低壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建了兩級(jí)級(jí)聯(lián)單元,驗(yàn)證直流電壓控制的有效性,為后續(xù)高壓試驗(yàn)及實(shí)際中高壓應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2 直流電壓波動(dòng)原因

級(jí)聯(lián)H橋有源電力濾波器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中:Us_a、Us_b、Us_c為電網(wǎng)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(bǔ)償電流,Udc_a1～Udc_aN、Udc_b1～Udc_bN、Udc_c1～Udc_cN為單相級(jí)聯(lián)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(cè)單相輸出總電壓。

圖1 級(jí)聯(lián)H橋有源電力濾波器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)文獻(xiàn)[9],有:

(1)

如果H橋單元的直流側(cè)均壓為Udc,電容值為C,那么根據(jù)能量守恒關(guān)系有:

(2)

設(shè)有源電力濾波器的調(diào)制比為M,電壓角頻率為ω,時(shí)間為t,無(wú)功控制角為δ,則有:

(3)

聯(lián)立式(1)、式(2)、式(3),設(shè)電網(wǎng)相電壓幅值為Us,設(shè)備輸出電流d軸、q軸分量分別為Id和Iq,進(jìn)行dq坐標(biāo)變換,可得:

(4)

由于式(4)中δ值較小,因此第三行可簡(jiǎn)化為:

(5)

由式(5)可以看出,直流電壓波動(dòng)受調(diào)制比、濾波電感、級(jí)聯(lián)單元數(shù)、電容、電流有功分量影響。在控制策略中,可以調(diào)節(jié)的有調(diào)制比與有功電流分量。一般調(diào)制比與系統(tǒng)功能控制策略有關(guān),可以通過(guò)微調(diào)提高均壓效果。通過(guò)調(diào)節(jié)有功電流分量,可以從系統(tǒng)吸收有功功率,補(bǔ)償裝置運(yùn)行過(guò)程中的直流電壓損耗,達(dá)到穩(wěn)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(jí)聯(lián)H橋有源電力濾波器總直流電壓控制與傳統(tǒng)逆變器控制原理相同,即通過(guò)控制裝置輸出的有功功率來(lái)穩(wěn)定直流電壓。級(jí)聯(lián)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(jù)文獻(xiàn)[10],級(jí)聯(lián)H橋變流器可以不吸收電網(wǎng)功率,僅通過(guò)相間功率交換,實(shí)現(xiàn)設(shè)備三相間電壓的均衡控制。有源電力濾波器的功能為補(bǔ)償負(fù)載諧波電流,因此不考慮其輸出負(fù)序電流,則三相功率波動(dòng)控制可以通過(guò)增加一個(gè)零序電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率波動(dòng)關(guān)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(jí)聯(lián)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(nèi)直流電壓控制

由于H橋各個(gè)模塊之間存在參數(shù)差異,單相內(nèi)各個(gè)直流電壓間也有不同,因此需要采用相內(nèi)均壓策略實(shí)現(xiàn)底層的直流電壓控制。級(jí)聯(lián)H橋有源電力濾波器單元主電路如圖4所示。當(dāng)有源電力濾波器電流流入電容,即向電容充電時(shí),直流電壓升高。當(dāng)有源電力濾波器電流流出電容,即向電容放電時(shí),直流電壓降低。

圖4 級(jí)聯(lián)H橋有源電力濾波器單元主電路

圖5 級(jí)聯(lián)H橋有源電力濾波器相內(nèi)直流電壓控制原理框圖

有源電力濾波器在直流電壓穩(wěn)定后的整流過(guò)程中及補(bǔ)償負(fù)載諧波電流時(shí),僅輸出極小的基波電流,相內(nèi)均壓的符號(hào)判斷誤差會(huì)引起相內(nèi)均壓失敗。對(duì)此,提出控制有源電力濾波器輸出一個(gè)穩(wěn)定的小無(wú)功電流,用以提高相內(nèi)均壓的控制效果。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證級(jí)聯(lián)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(jí)下搭建了兩級(jí)級(jí)聯(lián)H橋有源電力濾波器試驗(yàn)樣機(jī),單個(gè)單元直流電壓控制為300 V,網(wǎng)側(cè)濾波器電感為3 mH,開(kāi)關(guān)頻率為3 kHz。

第一次試驗(yàn),采用所研究的電壓控制策略,但未采用經(jīng)過(guò)修正的相內(nèi)均壓措施,單獨(dú)發(fā)五次諧波電流時(shí),同一相的兩個(gè)子單元直流電壓分別為298 V和312 V,并有發(fā)散的趨勢(shì),如圖6所示。

圖6 第一次試驗(yàn)結(jié)果

第二次試驗(yàn),采用經(jīng)過(guò)修正的相內(nèi)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(wěn)定在300 V左右,很好地實(shí)現(xiàn)了相內(nèi)均壓效果,同時(shí)三相總直流電壓穩(wěn)定在600 V左右,如圖7所示。

圖7 第二次試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者在分析直流電容電壓波動(dòng)的基礎(chǔ)上,提出了級(jí)聯(lián)H橋有源電力濾波器直流電壓控制策略。通過(guò)控制基波正序有功電流,控制總電壓穩(wěn)定。通過(guò)調(diào)節(jié)相間有功分布,控制相間均壓。通過(guò)在每個(gè)子單元上疊加一個(gè)電壓矢量,實(shí)現(xiàn)相內(nèi)均壓。根據(jù)有源電力濾波器的特點(diǎn),使控制裝置輸出一個(gè)穩(wěn)定的基波正序無(wú)功電流,用以提高相內(nèi)均壓的控制效果。在低壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建了兩級(jí)級(jí)聯(lián)單元,驗(yàn)證了直流電壓控制策略的有效性,為后續(xù)高壓試驗(yàn)及實(shí)際中高壓應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。