一種無變壓器耦合的單相串聯型有源電壓治理裝置研發

蔡長虹，江啟芬

（揚州華鼎電器有限公司，江蘇揚州225127）

1 引言

隨著電力電子等開關電器的大量使用，其所造成的電網電壓的過壓欠壓、電壓暫降及諧波［1－3］等電壓質量問題日趨嚴重，這些問題導致了一些重要的負載或對電能質量敏感的設備的性能降低、故障增多或壽命縮短。為直接有效地解決這一問題，在電網和敏感負荷之間加裝一串聯型有源電壓質量治理裝置［4－6］，即在供電電源和負荷之間連接一可控電壓源，通過向電網注入補償電壓來保證用戶端的電壓質量。該方法由于使用的是串聯裝置，僅需要補償系統電壓的畸變和與額定值相差的部分，補償的能量仍舊直接來自電網并提供給負載，所以通常它們具有更高的效率。

大多數串聯交流電壓質量治理裝置的主電路部分都采用兩電平結構［4］，使用變壓器與電網進行耦合或隔離，這種兩電平結構中的變壓器，其非線性的特點會導致磁飽和現象的出現，增加裝置的損耗并且存在體積大、成本高等問題。

針對上面兩電平有耦合變壓器的串聯交流電壓質量治理裝置所存在的問題，本文在主電路設計上采用了無耦合變壓器的兩電平半橋逆變器拓撲結構，較之其他兩電平結構具有開關器件少且橋臂之間不存在耦合等優點，即能實現各種電網電壓質量問題的治理，并且這種無耦合變壓器治理裝置具有補償性能好、體積小、重量輕和成本低等特點。

在控制系統化設計方面，本文采用了基于DSP和FPGA的純數字化控制方案，其中FPGA主要負責數據的實時采集與計算處理、系統狀態反饋、故障保護處理、控制環的實現、脈沖信號產生等；DSP主要負責通信及諧波電壓分析檢測。這種方案將DSP的高速運算及高效通訊能力與FPGA的高效并行處理能力相結合，使得系統運算速度快、結構靈活、適用性強。在控制算法方面，本文提出了一種融入重復控制、有源阻尼等控制方法，獲得了很好的補償效果。最后通過所研制的7.5kVA設備樣機對以上設計方案進行了驗證，結果證明了本文所設計的拓撲及控制策略正確有效。

2 單相串聯型交流電壓質量治理裝置的結構及工作原理

針對有耦合變壓器的兩電平結構所存在的問題，本文設計了如圖1所示的采用兩電平半橋無耦合變壓器結構的單相串聯型交流電壓質量治理裝置的主電路拓撲。

圖1 無耦合變壓器的單相兩電平半橋結構電壓質量治理裝置主電路結構圖

電路總體與兩電平結構相仿，也是由整流單元（V1，V2）、直流側儲能（C1，C2）、逆變單元（V3，V4）和輸出濾波單元（L，C）組成。由于減少了主電路開關管的數量，一方面省去了相應的驅動電路，同時也減少了成本，這種半橋逆變器結構總體上僅需要4只開關管，相比單相橋結構的電壓治理裝置具有更低的裝置成本和更小的體積。單相橋臂結構為了實現解耦，需要控制公共橋臂電壓，并以公共橋臂電壓為基礎進一步控制串聯部分和并聯部分的逆變電壓輸出。而半橋結構的串聯部分和并聯部分不存在耦合，便于控制器的設計。該拓撲是在電源與負載之間串入一個補償電壓，來抵消電網電壓的波動，屬于部分補償，相比于并聯模式的全補償結構，其損耗小、效率高。

電源電壓正常時，設備工作于備用狀態，若低于或高于負載所需電壓時，通過旁路開關K使設備工作在運行狀態，經過系統控制策略由控制電路產生相應的補償指令。由PWM調制電路產生PWM信號，利用驅動電路去控制變流器的功率開關器件，使變流器輸出與指令信號一致的電壓波形。利用LC濾波器濾除輸出電壓中的高頻開關紋波，濾波后的補償電壓疊加到電網電壓，抵消電網電壓的擾動，提高用戶端的供電電能質量，使負載得到期望的供電電壓［7］。

將電網供電電源等效為一個基波電壓源Us與諧波電壓源Uh之和，負載等效為一個阻抗ZL，負載電壓和電壓治理裝置等效為一個受控電壓源Uc，可得到單相無耦合變壓器三電平半橋電壓補償結構的等效電路如圖2所示。

圖2 單相無耦合變壓器三電平半橋電壓補償等效電路圖

3 單相串聯交流電壓治理補償控制策略

本文中的電壓補償裝置主要以偏遠地區農戶為主，負載多以阻性負載為主，所以采用了同相補償模式。同相補償是指裝置的補償電壓與跌落時的電網電壓同相。實現同相補償的方法是：鎖相環與電網電壓同步，參考電壓的相角是鎖相環所鎖住的電網的相角，幅值是跌落前的負載的電壓，其原理圖如圖3所示。

圖3 同相補償向量圖

3.1 數字化控制單元的實現

本文采用基于DSP和FPGA的雙CPU結構的數字化控制方案，整體系統控制框圖如圖4所示。

圖4所示的控制系統采用了兩大數字核心模塊即DSP和FPGA。DSP主要完成與觸摸屏之間的通信握手，進行諧波電壓分析檢測，并通過數據交互緩沖區將設置參數及啟動、停機、諧波電壓等指令信號發送到FPGA，并將FPGA回傳的狀態等數據上傳到觸摸屏進行實時監測。FPGA提供采樣頻率給ADC芯片，ADC接收到FPGA提供的采樣頻率對并聯和串聯側電壓、電流進行采樣、轉換并送入FPGA進行控制，FPGA通過DSP得到設置參數和基準正弦信號得到正弦電壓指令，以正弦數組的形式存放其內部，經過控制環將得到的調制信號送入波形發生模塊與FPGA內部產生的三角波進行比較得到功率開關器件的驅動信號。其中，并聯、串聯側均采用電壓、電流雙閉環控制，串聯側電壓環采用重復控制來實現輸出電壓的無差跟蹤。

圖4 基于DSP和FPGA的雙CPU控制框圖

3.2 采用重復控制器原理實現的電壓補償控制算法

重復控制［8］是基于內膜原理的一種控制算法，能夠以較簡單的結構實現多次諧波的抑制，易于數字控制的實現。重復控制器主要包含重復信號發生器、周期延時單元Z－N和針對控制對象設計的補償器C（z），其控制框圖如圖5所示。

圖5 重復控制結構框圖

重復控制實現的關鍵部分是其中的重復信號發生器，即反饋環節通過包含上一周期的信號來實現內膜功能，周期延時單元Z－N作為實現超前補償的重要環節，使得本周期的誤差在下個周期產生影響，即延遲了一個周期從而獲得了超前性。針對控制對象設計的補償器C（z）為控制對象Gp（z）提供幅值和相位補償，圖6為重復控制在FPGA中的實現流程。

圖6 重復控制在FPGA中的實現

重復控制的實現主要是利用FPGA的RAM將誤差數據存儲起來，實現重復控制內膜，再通過相位補償、幅值調整及二階低通濾波器來得到輸出，從而實現重復控制。

在本設計中，涉及到的主要控制對象是單相無耦合變壓器兩電平半橋電壓補償裝置中并聯側整流控制部分及串聯側逆變控制兩個部分［9］。

并聯側整流器控制方式如圖7所示，采用母線電壓外環控制加電感電流內環控制，雙閉環結合的控制方式，這樣的雙閉環控制方式可使跟蹤的交流信號無靜差，達到最好的控制效果。其中，直流側電壓通過PI控制器對兩個電容電壓和值與給定直流母線電壓值進行控制，以達到既控制電容電壓跟蹤電壓參考值，電感電流環采用重復控制。

圖7 并聯整流側電壓電流雙閉環控制框圖

系統的并聯側采用LCL濾波。LCL型濾波器為并網逆變器系統引入一對諧振極點，其阻尼比為零且振蕩頻率較高，影響系統的穩定性，因此，為了抑制LCL濾波器的諧振峰，對于入網側一般可以考慮增加阻尼電阻或者采用有源阻尼算法有效抑制LCL濾波器的諧振，這有利于控制系統的穩定性。但是阻尼電阻的增加可能會影響諧波的濾波性能，也會增加系統損耗，降低系統效率。而有源阻尼［10］控制只是通過算法增加系統阻尼，沒有附加阻尼電阻，因此沒有增加系統的損耗，這提高了系統效率。有源阻尼實現方法中電容電流反饋有源阻尼，實現簡便，物理意義清晰，應用廣泛。

當電網電壓畸變或不對稱比較劇烈時，不僅會影響有源電力濾波器直流側電壓的穩定，甚至還會造成直流側過壓，影響串聯側正常工作。通過加入電網電壓前饋［6］可使并聯側電流不受電網電壓畸變的影響，從而可保證直流母線電壓的穩定性，且串聯側能正常逆變輸出。

圖8 串聯逆變側電壓電流雙閉環控制框圖

串聯側逆變器控制方式如圖8所示，采用輸出電壓外環電感電流內環的雙閉環控制系統。針對可能存在周期性擾動的負載，電壓外環采用重復控制，可以有效地抑制電壓畸變并且能夠快速跟蹤給定電壓，電流環采用P控制器，此外，為了抵抗非線性負載的影響，還引入了負載電流前饋io。圖中，Uoref為串聯輸出電壓的給定指令，Uo為輸出電壓采樣，Kv為交流輸出電壓調節器，Kc為交流輸出電流調節器。交流輸出電流調節器的輸出信號通過慣性環節延時后在拓撲上輸出，與電容電壓作差形成電感電壓，電感兩端電壓通過等效電抗形成流過電感的電流，電感電流與負載電流之和為電容電流，與電容的容抗形成電容兩端的輸出電壓。

4 實驗結果及分析

研制了7.5kVA設備并進行了實驗驗證。設備樣機如圖9所示，其主要參數見表1。

圖 9 7.5kVA 樣機

表1 主要參數表

圖10為電網電壓跌至130V補償到220V的實驗波形，圖11為滿載、空載切換實驗波形，圖12為電網電壓突變實驗波形。圖中，CH1為電網電壓，CH2為負載電流，CH3為負載電壓，設備串在電網與負載之間。當電網電壓過低時，設備輸出與電網電壓同頻同相的補償電壓疊加到電網電壓上，將負載側電壓補償到220V；在滿載、空載切換及電網電壓突變時，負載電壓能夠快速響應。

圖10 低壓補償實驗波形

圖11 低壓補償滿載、空載切換實驗波形

圖12 電網電壓突變實驗波形

圖13為電網電壓升至280V補償到220V的實驗波形，圖中CH1為電網電壓，CH2為負載電流，CH3為負載電壓，設備串在電網與負載之間。當電網電壓過高時，設備輸出與電網電壓相位相反的補償電壓疊加到電網電壓上，將負載側電壓補償到220V。

圖13 高壓補償實驗波形

圖14為含有諧波的電網電壓進行補償的實驗波形，圖中CH4為電網電壓，CH1為補償后的負載電壓，補償前的電網電壓THD為10%，補償后的負載電壓THD為1.85%。

圖14 諧波補償實驗波形

5 結束語

對于低壓系統中電網存在的過壓、欠壓、諧波等電壓質量問題，本文采用單相無耦合變壓器兩電平半橋電壓治理補償裝置，通過DSP和FPGA雙CPU的全數字控制方法，對電路原理及控制方法進行分析、仿真和實驗驗證。在7.5kVA的設備上，分別驗證了電網在低壓、高壓及存在諧波的情況下，串聯電壓補償裝置都能很好地對電網電壓進行補償，保證了負載端用電設備的正常運行。在電網電壓發生突變時，設備能夠快速響應并跟蹤，且可以將15%的諧波電壓補償至3%以內，實驗結果驗證了該治理裝置在治理電網電壓質量問題方面的可行性和有效性。