多電平單相級聯有源濾波器載波調制與電容電壓平衡方法

夏焰坤

（西華大學電氣與電子信息學院，成都610039）

多電平單相級聯有源濾波器載波調制與電容電壓平衡方法

夏焰坤

（西華大學電氣與電子信息學院，成都610039）

級聯型結構變流器在高壓大功率領域得到越來越廣泛的應用。該文研究一種級聯相移多電平單相電壓型電力有源濾波器結構，首先分析了模塊單元間載波相移控制原理，其次提出了一種直流側電容電壓平衡控制方法，最后在Matlab仿真平臺上搭建了仿真模型。仿真結果表明，該級聯結構濾波器能夠有效治理負載引起的諧波電流，并且保證了各模塊直流側電壓穩定。

級聯相移；有源電力濾波器；諧波；電容電壓平衡；多電平

隨著電力電子技術的發展，電力電子變流設備一方面給人們帶來方便、高效電能，另一方面由它帶來的諧波、非線性、不平衡用電的特性，也給電網帶來嚴重污染[1-2]。為了提高電力系統電能質量，減少污染，傳統的方法就是采用無源LC濾波，即將濾波LC并聯在電源與感性或非線性負載之間，為負載提供無功電流，同時也為諧波電流提供通路。然而無源補償存在著只能補償固定的諧波電流、難以準確補償變化的諧波電流、體積較大等缺點。

采用先進電力電子技術的電力有源濾波器APF（active power filter）[3-4]能夠克服無源濾波器的種種缺點，近年來得到迅速的發展。傳統單相橋式結構電壓型有源濾波器能夠補償無功和諧波電流，但仍然存在著中間直流電壓大，對電壓耐壓要求高；變流器自身產生的開關頻率諧波含量高。近年來多電平變換器[5-7]由于能夠采用低壓器件實現高壓大功率輸出，易于模塊化設計和安裝，特別適合中高壓應用場合[8-10]，不少文獻研究了應用于三相系統的多電平濾波器結構和控制策略，但針對單相電路的場合研究相對較少。

相對于三相有源濾波器結構，單相結構濾波器存在著諧波電流檢測有差異、穩定時直流側電壓紋波大（2次諧波造成）；另一方面單相級聯模塊化結構經過組合易于構成三相補償結構，因此單相結構控制策略往往是三相結構控制策略的基礎。因此，有必要對單相級聯濾波器展開相關研究。

本文以單相級聯結構濾波器為對象，研究了采用級聯相移多電平變流器結構的有源濾波器原理和載波相移原理，提出了一種電容電壓平衡控制方法，最后又進行了仿真驗證。

1 主電路結構及控制策略

1.1 主電路結構及原理

級聯相移多電平變流器結構的單相有源電力濾波器電路主結構如圖1所示。

濾波器由多組單相四象限變流器串聯構成，參數上完全一致。中間直流耦合電容容量較大，近似看作直流電源。N組變流器可看作由獨立電源構成的級聯變流器。

有源濾波器可理解為將電網中的諧波電流檢出，并產生與其相反的補償電流以抵消電網中有害電流的電力電子裝置，從而達到消除網側輸入電流中無功與諧波分量的目的，使電流得到補償。

圖1中，未補償時系統側電流is和負載電流iL滿足

式中，ip、iq、ih分別為電流有功、無功和諧波成分；

若令補償電流ic=-ih，則此時補償后系統電流與常規濾波器不同，級聯濾波器除了產生補償電流外，還要設計每組變流器模塊直流側電壓之間的均壓控制以及載波調制方式。

1.2 三角載波移相控制原理

假設級聯單元數為N，各單元載波相移度數為π/N，總的輸出電壓為

式中：Ck為輸出電壓的幅值系數；?k為各次諧波電壓相位。

輸出電壓中將包含以下3種情況。

1）基波信號

式中：N為級聯單元數；E為模塊直流電壓；Qkm為調制波幅值。

2）載波信號

當k=mNkc（m=1，2，…，∞）時

式中：kc為載波次數；J0(·)為零階貝塞爾函數。

3）基波信號

當k=mNkc+n（m=1，2，…，∞；n=±1，±2，…，±∞）時

可以看出，輸出電壓不再含有2Nkc±1次及以下諧波，等效總輸出電壓為各單元輸出電壓之和，等效載波頻率為k=Nkc。即實現采用較低開關頻率和較低電壓等效一個較高開關頻率、高電壓H橋單相變流器。從而有利于降低高頻下開關損耗、降低變流器開關管電壓等級。

載波相移效果如圖2和圖3所示，開關頻率取250Hz，級聯單元數為3，調制比為0.6，可得相應輸出電壓波形和頻譜。

三角載波移相SPWM調制法特別適合級聯多電平變流器的控制，每組變流器的正弦調制波相同，但是相鄰兩組變流器三角載波存在相位差。對于雙極性三角載波移相控制，各三角載波相位相互錯開π/N。如此，各組變流器產生的SPWM脈沖的基波相位、幅值都相同，但脈沖不重合，最終輸出電壓等效的開關頻率2N倍（雙極性）。圖2中單組變流器端口電壓開關頻率集中在500 Hz處；3組級聯單元載波相移時端口電壓開關頻率集中在1 500Hz處，大大改善了端口電壓畸變率。

1.3 電容電壓平衡控制策略

電網側每一相均采用N個H橋級聯構成鏈式拓撲結構，具有良好的諧波特性。針對鏈式結構變流器存在的直流側電壓平衡問題，本文借鑒文獻[11-12]中的分層控制思想，提出在上層控制中采用雙閉環控制策略，下層控制中采用基于有功電壓矢量疊加的平衡控制策略，在不影響系統無功的情況下，增大系統的有功輸入來實現直流側電壓的平衡。功率變換系統電網側的控制策略如圖3所示，其中uf為上層控制中得到的調制波形，Δuf為下層控制策略中在各鏈節H橋上疊加的有功分量，uf1至ufN為經平衡控制之后各個鏈節的調制波形，其他參量見圖4所示。

上層雙閉環控制策略中，電壓外環采用PI調節器跟蹤直流電壓；電流環中將u作為前饋加入，用于抑制u波動帶來的擾動。為改善控制系統的響應速度，電流環采用比例調節器實現對電流的快速跟蹤控制。

下層控制策略的基本思想是在上層控制的基礎上疊加一個與網側電流方向平行的矢量，實現對各鏈節吸收有功的調節。當直流側電壓偏小時，疊加一個正向電流分量；當電壓偏大時，疊加一個反向電流矢量。以各鏈節直流側電壓的平均值作為參考值，實際電壓作為反饋值，每個鏈節的有功調控通過閉環來實現。下層控制的原理如圖5所示。

諧波電流檢測單元原理如圖6所示，負載電流iL（t）減去有功電流和無功電流成分即得到諧波電流指令i（t）。諧波電流指令和直流側穩壓偏差一起構成系統電流環指令電流，見圖6所示。

2 仿真驗證

本文對圖1所示的級聯相移多電平變流器結構的有源濾波器，建立基于Matlab/Simulink的3組H橋級聯的濾波器仿真模型。取電源電壓u=1 kV，負載功率因數為0.866（滯后），15%3次諧波，7%5次諧波，負載電流。電容平衡控制系統中，上層控制中電壓環節采用PI控制器，Kp=0.1，Ki=0.1，電流環采用比例控制，Kp=10；下層控制中電壓環節采用比例控制，Kp=0.1。每組H橋開關頻率選為1 kHz，相互移相π/3。

圖7給出了不采用任何補償時，負載端口電壓、電流波形（放大了4倍，便于觀察）以及電流頻譜，從圖中可看出電流畸變率達到16.5%。

圖8給出了采用3組變流器級聯單元有源濾波器補償負載端口電壓、電流波形以及電流頻譜。變流器由3個單元級聯組成，L=2mH，C=10mF每個單元直流側電壓給定值Ud=500 V，開關頻率1 000 Hz。從圖中可以看出經過補償后電流畸變率減小到2.1%.圖9給出了直流側電容電壓仿真波形，在電容電壓平衡控制加入之前（0.3 s），直流側電容電壓相差較大，加入平衡控制策略之后，三組電容電壓能夠達到平衡。

比較圖7和圖8可以看出，采用多組低壓單元級聯有源濾波器兩種結構能較好地改善系統側電流，使得諧波含量大大減小。

3 結語

本文對一種級聯結構單相有源電力濾波器進行了理論分析和仿真實驗。結果表明，級聯相移多電平變流器結構的有源濾波器采用本文所提的電容電壓平衡控制后能夠使得電容電壓快速達到平衡，保障濾波器的正常工作，諧波治理效果較好。仿真結果驗證了本文控制策略的有效性。本文所研究的載波調制和平衡控制方法，既適合單相級聯濾波器，同樣也適合單相級聯構成的三相濾波系統。

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Carrier M odulation and Capacitor Voltage Balance Controlof a CascadeM ulti-level Single-phase Active Power Filter

XIA Yankun
（SchoolofElectricalEngineeringand Electric Information，Xihua University，Chengdu 610039，China）

Recently，cascade converters aremorewidely used in high-voltage high-power fields.In this paper，an ac?tive power filter（APF）of cascademulti-level phase-shiftsingle-phase voltage type is studied.At first，the inter-module carrier phase-shift control principle is analyzed.Then，a DC capacitor voltage balance controlmethod is proposed.At last，a simulationmodel is built in Matlab platform.Simulation results show that the proposed cascade filter can effec?tively control theharmonic currents caused by load，and ensure the stable DC-side voltageofeachmodule.

cascade phase-shift；active power filter（APF）；harmonic；capacitance voltagebalance；multi-level

TM721

A

1003-8930（2017）03-0079-04

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.013

夏焰坤（1984—），男，博士，講師，研究方向為電力系統分析和電能質量分析與控制。Email：yankunjtdx@126.com

2016-05-24；

2016-11-01

西華大學重點科研基金項目（Z1520909）；四川省教育廳項目（16ZB0159）；四川省電力電子節能技術與裝備重點實驗室開放課題項目（szjj2015-068）