級聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)諧波與無功發(fā)生器設(shè)計

謝珍貴

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000)

0 引 言

電力電子系統(tǒng)化已經(jīng)成為一種電力趨勢，越來越多的工業(yè)控制領(lǐng)域中采用了電力電子器件，甚至是新能源領(lǐng)域的核心控制設(shè)備也是由電力電子裝置構(gòu)成。這些電力電子器件大量投入到電力系統(tǒng)中，給電力系統(tǒng)帶來了許多問題，問題之一就是這些電力電子器件的投入本質(zhì)上就是一個諧波源，并且使得系統(tǒng)高度非線性化。

隨著人們對電能質(zhì)量越來越高的要求，并且電力電子器件的大量投入系統(tǒng)，原始的電力系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生了深刻改變，對用電設(shè)備甚至整個系統(tǒng)都產(chǎn)生了嚴(yán)重危害和影響[1]。依據(jù)目前的技術(shù)水平，通過查閱大量國內(nèi)外文獻(xiàn)，針對諧波治理和無功補償問題，最有效的方法還是通過可控的電力電子器件去解決這些問題。

目前，電力電子器件以GTO、BJT和IGBT為全控性代表，不斷向高頻、大容量的方向發(fā)展，特別是以這些器件為基礎(chǔ)的無功補償裝置、電力有源濾波器裝置得到了長足的發(fā)展。以電力有源濾波器為例，采用電力電子器件構(gòu)成的濾波器比LC濾波器性能更好。因此，文章就并聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行了設(shè)計和研究。

1 有源電力濾波器簡介

采用全控型器件構(gòu)成的有源電力濾波器，如圖1所示，該電路主要由三部分組成：系統(tǒng)電源、有源濾波器和諧波源三部分[2-3]。其中非線性負(fù)載部分及產(chǎn)生諧波，也消耗無功，必須進(jìn)行諧波消除和無功補償。圖中的有源電力濾波器由兩部分組成：一部分是進(jìn)行指令電流的計算環(huán)節(jié)；另一部分是指令電流的生成環(huán)節(jié)[4]。

在電力電子電路中，電感和電容元件都是儲能元件，因此在電路中均可充當(dāng)直流源的作用，電感充當(dāng)電流源，電容充當(dāng)電壓源。兩種元件為開關(guān)電路提供條件，因此，有源電力濾波器按照儲能元件作用方式的不同，其可分為電壓型和電流型兩種。

圖1 有源電力濾波器的基本原理圖

電壓型有源濾波器的機理是根據(jù)檢測電壓信號的大小，轉(zhuǎn)換為PWM脈沖，通過作用在電力電子器件上輸出電壓，該電壓經(jīng)過連接電抗形成補償電流的過程；電流型有源濾波器其儲能元件是電感，該類型的電力濾波器相比于電壓型有源濾波器，不會由于開關(guān)器件的直通出現(xiàn)短路故障，但是該電路的大電感內(nèi)部將損耗大量能量，因此電壓型電力有源濾波器得到了廣泛應(yīng)用[5]。

2 級聯(lián)H橋變換器的結(jié)構(gòu)分析

2.1 級聯(lián)H橋變換器的結(jié)構(gòu)分析

級聯(lián)H橋變換器內(nèi)部主要是有源濾波器功能，但是也可以實現(xiàn)無功發(fā)生器的功能。該變換器的核心環(huán)節(jié)是對無功電流和諧波電流的檢測過程，因此，諧波電流和無功電流的檢測是進(jìn)行諧波治理和無功補償?shù)幕A(chǔ)[6]。根據(jù)指令電流的計算結(jié)果，轉(zhuǎn)化為開關(guān)信號作用于級聯(lián)H橋上，產(chǎn)生相應(yīng)大小的補償電流，就實現(xiàn)了對負(fù)載無功消耗和諧波的補償過程。

圖1中，有源濾波器的檢測和驅(qū)動電路主要是對指令電流的計算過程，根據(jù)中iLa、iLb、iLc無功電流和諧波電流的大小，通過檢測計算環(huán)節(jié)，得到大小相同、相位相差180°的指令電流，并且將該指令電流信號通過PWM波方式作用于級聯(lián)H橋電路中，產(chǎn)生補償電流ica、icb、icc，這樣就使得兩者電流相互抵消，基本電流中不含有無功電流和諧波電流分量，這樣就達(dá)到了諧波治理也無功補償?shù)哪繕?biāo)[7-8]。

2.2 級聯(lián)H橋變換器的主電路設(shè)計

如圖1所示，主電路的工作原理：補償電流ica、icb、icc是由主電路中直流側(cè)電容電壓與交流側(cè)電源電壓的差值作用于電感上產(chǎn)生的。主電路的工作情況是由主電路中級聯(lián)H橋開關(guān)器件的通斷組合所決定的。通常，加入電力濾波裝置后，補償點的三相電壓、電流是對稱的。因此，假設(shè)：

eca+ecb+ecc=0

(1)

ica+icb+icc=0

(2)

并且按照圖1的電路結(jié)構(gòu)，級聯(lián)H橋輸出的直流電壓為Udc，可得回路微分方程如下：

(3)

(4)

(5)

式中kaVdc、kbVdc、kcVdc為級聯(lián)H橋的輸出電壓。雖然H橋并聯(lián)電容的方向是一致的，用直流量Vdc表示，但是由于開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)及電流方向的改變，級聯(lián)H橋輸出電壓不呈現(xiàn)直流性質(zhì)。

ka+kb+kc=0

(6)

式中ka、kb、kc為三相級聯(lián)H橋的開關(guān)系數(shù)。

將式(3)～式(5)中電壓電流進(jìn)行解耦控制，因此首先將三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系，這樣就出現(xiàn)了α和β坐標(biāo)系，得到α和β坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型：

(7)

再將式(7)在d和q坐標(biāo)系下進(jìn)行變換，經(jīng)過Park變換之后可得到dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：

(8)

具體向量變換關(guān)系如圖2所示。

圖2 Park變換向量關(guān)系

3 級聯(lián)H橋變換器控制策略

直接電流控制采用了電流內(nèi)環(huán)與功率外環(huán)的控制方式，因此也被稱為雙閉環(huán)控制法[9-10]。雙閉環(huán)控制框圖如圖3所示。外環(huán)分為d軸分量和q軸分量：d軸用于控制交流系統(tǒng)有功功率和直流側(cè)電壓；q軸用于控制無功功率和交流側(cè)電壓。內(nèi)環(huán)用于保證逆變器的輸出交流電流能夠跟蹤外環(huán)控制輸出電流指令，輸出逆變器電壓參考波，由PWM實現(xiàn)開關(guān)控制。假設(shè)外環(huán)以有功功率和無功功率為控制目標(biāo)，則Ap和Aq分別就是測量所得計算值Pac和Qac，形成了外環(huán)的反饋環(huán)節(jié)。

圖3 控制方法框圖

在搭建雙閉環(huán)控制模型時，主要根據(jù)級聯(lián)H橋有源濾波器的數(shù)學(xué)模型。按照式(8)，假設(shè)變換器輸出電壓的d軸和q軸分量分別為Vd，Vq：

(9)

(10)

并且：

(11)

將式(11)中a相進(jìn)行拉普拉斯變換即得：

sLIa(s)=Va(s)-RIa(s)-Ea(s)

(12)

忽略三相H橋之間的差異性，則：

(13)

得到控制框結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 控制結(jié)構(gòu)圖

圖3是級聯(lián)H橋變換器整個雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖，圖4重點針對內(nèi)環(huán)控制器給出闡述，內(nèi)環(huán)主要用于保證逆變器的輸出交流電流能夠跟蹤外環(huán)控制輸出電流指令，輸出逆變器電壓參考波，由PWM實現(xiàn)開關(guān)控制。輸入量Vsd和Vsq主要是根據(jù)指令電流經(jīng)過PI控制后對應(yīng)的電壓量值，經(jīng)過內(nèi)環(huán)解耦控制，形成級聯(lián)H橋輸出電壓的過程。

4 級聯(lián)H橋變換器的仿真分析

按照圖1所示的電路結(jié)構(gòu)，首先對非線性負(fù)載環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計，采用PSCAD軟件進(jìn)行仿真，將級聯(lián)H橋變換器按照負(fù)載性質(zhì)設(shè)計為多次諧波源和無功發(fā)生源[11-12]，模型簡圖如圖5所示，圖6為級聯(lián)H橋變換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖5 諧波與無功源模型

圖6 模型電路圖

圖6該類型的變換器可以實現(xiàn)有源濾波器的功能，也可以實現(xiàn)無功發(fā)生器的功能，可以根據(jù)輸出電壓、電流的等級選擇H橋級聯(lián)數(shù)目，在圖6中，選擇兩個級聯(lián)H橋進(jìn)行試驗，形成5電平結(jié)構(gòu)。

(1)當(dāng)負(fù)載表現(xiàn)為3次諧波性質(zhì)時，可以通過對級聯(lián)橋變換器的輸入指令進(jìn)行設(shè)置，可以得到相應(yīng)的輸出電流的次數(shù)以及幅值大小，如圖7、圖8所示。

圖7 輸入電壓/輸出電流波形一

圖8 A相電流FFT分析

(2)級聯(lián)H橋變換器輸出為13次諧波時，得到相應(yīng)結(jié)果如圖9所示。

圖9 輸入電壓/輸出電流波形二

(3)當(dāng)負(fù)載表現(xiàn)為無功源性質(zhì)時，可以設(shè)置級聯(lián)H橋變換器發(fā)出無功功率，如圖10、圖11所示。

圖10 調(diào)制波與逆變電壓波形

圖11 電壓電流比對波形

通過圖7、圖9可以看出，級聯(lián)H橋變換器可以按照設(shè)置發(fā)出目標(biāo)次諧波，并且目標(biāo)次諧波幅值可以按照要求進(jìn)行設(shè)置，可實現(xiàn)諧波發(fā)生器的功能。通過圖11波形可以看出，在指定時刻投入無功發(fā)生器功能后，電流超前電壓90°，可實現(xiàn)無功發(fā)生器的功能[13-14]。

5 結(jié)束語

以級聯(lián)H橋變換器為研究目標(biāo)，通過實現(xiàn)諧波源的發(fā)生過程和無功源的發(fā)生過程，驗證了該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)諧波與無功的統(tǒng)一調(diào)節(jié)[15]。由于諧波消除與無功補償?shù)臋C理均是采用抵消原則，因此，文章通過PSCAD/EMTDC軟件設(shè)計了諧波源和無功源，通過試驗結(jié)果驗證了該方法在理論上的可行性。