基于高频隔离的负序级联式补偿电路拓扑

贾鹏宇 刘建强 黄 尧 郑琼林

（北京交通大学电气工程学院 北京 100044）

1 引言

随着电力电子装置和各种不对称及非线性负载的大量使用，负载产生的负序和谐波电流注入到电网中，影响了电网的供电质量，同时也会造成电网大量的附加损耗。有源电力滤波器APF能够对电网中的谐波和负序电流进行较好补偿[1]，但是在高压系统如铁路牵引供电系统中，由于受到器件制造工艺和耐压等限制，有源电力滤波器只能采用级联H桥单元[2,3]进行谐波和无功补偿。由于拓扑结构的限制，采用星型连接的级联型有源滤波器的每相上的各单元电容能量仅限于一相中进行交换，无法进行三相之间的电容能量交换，这就导致此拓扑在高压领域中只能进行三相负载平衡状态下谐波及无功补偿，无法进行有效地负序电流补偿。一些参考文献[4]提出了三角形连接的级联H桥构成的U-STATCOM，虽然能够实现三相之间的能量交换以补偿负序电流，但是仅能用于三相三线制系统，且直流侧二次脉动较大。

本文提出了一种基于三端口直流隔离双向变换器的补偿电路拓扑，该电路通过内部相互耦合的高频变压器作为负序能量交换的通路，可以实现对于三相电路的无功，谐波以及负序能量的补偿。该电路按照星型连接的接线方式进行级联，从而实现高压条件下的应用，在三相三线和三相四线制系统中均可。由于三绕组高频变压器的引入，这种新的电路拓扑可以降低系统中直流电压的二次脉动，从而减少直流侧所需电容量。

本文给出了该电路拓扑的原理性分析，对两级系统为例的仿真模型进行了分析，通过仿真验证了该拓扑对于负序电流的补偿作用，最后给出了三相系统中单级补偿装置对于不平衡电阻负载的小功率补偿试验结果。

2 补偿系统的实现原理

如图1为级联式负序补偿系统的示意图，A，B，C 为三相电网，isa，isb，isc为网侧电流，ica，icb，icc为补偿器输出电流，ila，ilb，ilc为负载电流，只有A相接电阻负载，电网存在负序电流。补偿系统包含N个单级系统，每一级结构相同，如图2中点画线所示。AC-DC部分采用H桥结构并联电容器，即单相PWM整流器的结构，直流侧连接在三端口直流双向变流器上，通过半桥逆变器将直流电压逆变成方波加在高频隔离变压器的绕组上。

图1 级联补偿系统示意图Fig.1 Multilevel compensation system

图2 单级补偿系统示意图Fig.2 Single level compensation system

对于双向直流隔离变换器（图2中点画线所示），假设控制三端口逆变的电压均为50%占空比的方波，三个端口的直流电压相同，可以控制三个逆变器桥臂的开关信号相位即控制变压器三个绕组上的电压方波相位来控制能量的流向[5,6]，以维持三端口双向直流变换器并联电容上的直流电压值相等。三端口直流隔离双向变换器的等效电路[6,7]如图3所示。

图3 三端口变换器等效电路Fig.3 Equivalent circuit of three port converter

以端口 A的方波电压相位为参考，φab表示端口A，B之间的相位差，定义φab＞0表示A端口电压方波超前B端口电压方波，φab＜0表示A端口电压滞后于B端口，同理，φac表示端口A，C的相位差，φbc表示端口B，C的相位差，用箭头表示能量流向，得能量流动随相位角的变化关系如图4所示，能量从相位超前端口流向相位滞后端口。

由于直流侧电容的支撑，认为直流侧的电压恒定，三个单相 PWM整流器直流侧与三端口双向变换器相连，交流侧连接上下级补偿装置，从而构成三相四线制的补偿系统。通过 PWM整流器进行交流侧电流的控制，保持直流侧的电压跟随指令值不变，并且实现任意功率因数运行，补偿电网电流。

图4 相位角与端口能量流动关系示意图Fig.4 Relation of phase angle and direction of power flow

如果三相负载平衡，负载电流除了有功分量外，仅含有无功分量和谐波分量，补偿器只需要补偿无功和谐波时，根据瞬时无功功率理论，电源此时只需要提供负载所需的瞬时有功功率和瞬时无功功率的直流分量，它们所对应的电源电流等于负载电流的基波分量。此时对于并联补偿装置的瞬时有功功率的平均值为零，使得直流侧电压保持不变，仅有一些波动（受有功功率的交流分量影响）。

当负载不平衡时，就会产生负序电流，需要补偿一定的有功电流以实现网侧三相电流平衡，由于并联补偿装置的瞬时有功功率的平均值不为零，直流侧和交流侧将进行能量交换，直接影响到直流侧电容上的电压变化。

综上，对于本文中的拓扑，直流三端口双向变换器作为有功功率传输的核心部分，三个端口电容电压的指令需要加入到有功功率电流，而为了保证三个端口电压相等，需要对三端口直流变换器进行移相控制来保证。

扩展到N级系统的情况，每级都可以实现能量交换，直流侧均压，最后一级接地。当电网中有负序电流产生的时候，将会导致其中的各相连接的直流侧的电容电压不平衡。通过补偿装置的级联，能够实现多电平逆变，这样相较于单级补偿系统的三电平逆变而言，可以减少补偿电流中的谐波，交流侧的电流跟随效果将会更好。采用载波移相的控制策略[3]进行单极性调制，假设N级相同电压等级的三电平H桥进行级联，级联之后的交流侧部分逆变电压电平数将会为2N+1。图5以两级系统级联为例画出了构建5电平逆变电压的示意图，其中两级间的载波移相角为90°。

图5 两级载波移相示意图Fig.5 Two-level carrier phase-shifting schematic

3 补偿系统的控制及仿真

图6 负序补偿算法原理Fig.6 Principle of two-level compensation system

仿真结果如图 7～图 9所示，其中网侧电压波形如图 7中的usource所示，负载电流波形如iload所示，网侧电流波形isa，isb，isc如isource所示，补偿器输出电流如icompensated所示，两级中单相 H桥的直流侧电压分别如图 8中Udc1A，Udc2A，Udc3A和Udc1B，Udc2B，Udc3B所示。从图7，图8可以看出，三相电网电压和电网电流同相位并且三相电流平衡，直流侧电压稳定在指令值250V。取补偿器的A，B，C各相电感连接的级联H桥与地之间的电压波形如图9所示，可见，通过载波移相形成了5电平电压，实现了直流电压的高压逆变。

图7 两级系统仿真交流侧变量图示Fig.7 Variables in AC side of two-level system

图8 两级系统级联仿真直流侧电压图示Fig.8 Voltage in DC side of two-level system simulation

图9 每相级联H桥逆变电压波形（usa，usb，usc）Fig.9 Voltage inverted from h-bridge cascaded of each phase（usa，usc，usc）

4 单级补偿系统试验研究

搭建小功率实验平台（见图10）模拟电网中的单级负序补偿情况，其中三相电源电压有效值为40V，负载电阻Rl=10Ω接在 A相电网中作为单相负载电阻，补偿装置并联接入电网，其中补偿器的3个电感均为10mH，得到实验波形如图11～图12所示。

图10 单级补偿系统实物图Fig.10 The photo of single level system equipment

图 11比较了补偿器未运行和运行后 A相电网电压及电流波形，图12为运行补偿器后三相网侧电流波形。

由图11和图12可知，补偿器未运行，网侧A相电流即为 A相负载电流，电流值为 4A。当补偿器运行时，三相网侧电流实现了均衡，电流有效值约为1.3A，相位互差120°，各相网侧电压和电流同相位，网侧功率因数为 1。补偿器从电网 B，C相吸收能量进而反馈给A相，使A相网侧电流减小，其有效值约为原来的1/3，而B，C两相电流也与A相电流相等，实现了三相四线制电网下负序电流和零序电流的补偿，改善了负载不平衡引起的电网电流不均衡的情况。

图11 补偿前后A相电压及电流波形Fig.11 Voltage and current waveforms of phase A of grid before and after the compensation

图12 补偿后三相网侧电流波形Fig.12 Three phase grid current waveforms after compensation

5 结论

本文提出了一种可以补偿三相四线制电网中负序电流的拓扑结构，以直流三端口双向变流器为负序能量交换通路，实现了三相电路相间的隔离能量交换，保证了在系统级联时对于电网中负序电流补偿的可行性。通过Matlab进行了仿真分析，仿真结果验证了该拓扑电路在两级级联情况下的可行性，并搭建单级小功率平台模拟电网进行实验研究。试验结果表明，该方法可以实现负序电流补偿，能够实现能量在电网各相之间的隔离交换，为大功率级联提供了基础。

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