级联H桥APF直流侧电压控制系统的仿真研究

卢献法，马成虎



级联H桥APF直流侧电压控制系统的仿真研究

卢献法，马成虎

（阜阳职业技术学院工程科技学院，安徽阜阳 236031）

针对级联H桥有源电力滤波器的特点，提出一种用MATLAB/Simulink 元件库中的电力电子器件建立闭环控制系统的仿真模型。仿真模型的谐波电流检测算法采用基于瞬时无功功率理论的i，i法，调制方式采用载波移相调制方式。文章重点针对级联H桥有源滤波器的直流侧电压的稳压与均压问题，提出了与电网侧交换能量的相间稳压方法和叠加调制波的同相电容均压方法，仿真结果证明了该方法的正确性。

有源电力滤波器；级联H桥；直流侧电压；载波移相；谐波检测

0 引言

这些年来，随着各种电力电子器件的广泛应用，产生了大量的谐波和无功电流注入电网，对公用电网的供电质量和用户设备的安全运行造成严重的影响。各种针对谐波检测和抑制的技术不断提出并得到一定程度的应用，特别是有源滤波器的提出和应用，对谐波抑制起到明显的效果。多电平变流器能够直接输出高压而无需变压器的连接，因而大功率场合中受到越来越多的重视[1,2]。相对于二极管钳位型多电平变流器和飞跨电容型多电平变流器，级联H桥型多电平变流器所需的元器件数目最少，具有较易实现、高可靠性、低谐波和畸变小等优点，是现阶段大功率、高电压等级变流器领域研究的热点。

载波相移SPWM技术可以在较低的器件开关频率下实现较高开关频率的效果，不但使SPWM技术应用于特大功率场合成为可能，而且在提高装置容量的同时，有效地减小输出谐波，提高整个装置的信号传输带宽，是一种非常适用于大功率APF的开关调制策略[2,3]。

H桥级联多电平变流器的直流母线电压稳定均衡控制是H桥级联多电平拓扑的研究重点和难点之一，它直接关系到变流器交流侧输出波形质量、变流器单元的有功和无功出力、变流器开关管的电压和电流应力以及变流器的动态响应速度，甚至有可能造成变流器的闭锁，大大限制了H桥级联多电平变流器性能的发挥。文献[4-10]都开展了对H桥多电平变流器控制策略的研究。文献[4]提出一种在直流母线侧附加平衡电路的方式实现直流母线电压的平衡控制，该方法高效、可靠，且控制精度高，但每个H桥变流器需要增加一套平衡电路，不仅增加了装置体积，而且提高了装置整体成本。文献[5]提出通过对交流侧电压相角的调节达到均衡直流母线的目的，由于在特定的场合，交流侧电压相角的调节范围很有限，且相角调节对有功出力非常敏感，要实现直流母线电压的动态均衡非常困难。文献[6]从有功功率与无功功率的基本物理意义出发，提出一种基于正负序电流分离解耦控制的通用三级直流母线电压均衡控制方案，该方法可以很好地解决 H 桥级联多电平变流器直流母线电压稳态及动态均衡问题，但是运算方法较为复杂。

本文所仿真的H桥有源电力滤波器采用载波相移SPWM技术，在上述论文的基础上提出一种基于与电网侧能量交换的每相总电压稳定方法和基于叠加调制波的单个电容间的电压的均衡方法。仿真结果表明，该控制策略可以实现直流侧电压的稳定与均衡，可以有效、准确地补偿负载谐波电流。

1 基于级联H桥的有源电力滤波器的电路拓扑

基于级联H桥型多电平变流器的并联APF的电路拓扑如图1所示（以五电平为例），不仅能满足大功率的补偿要求，且使系统结构简单、控制方便、可靠性高。负载为电流源型不控整流器，级联H桥型变流器直接接入电网与负载并联。图中i为交流网侧电流，i为负载电流，i为APF补偿电流，U为x相第y变流器单元的直流侧电压（其中=a,b,c；=1,2）。显然

APF 系统的工作原理为：通过谐波和无功检测电路得到负载电流i的谐波和无功分量，将其取反即得到级联H桥型变流器的指定电流i*；构造交流侧反馈控制，使得级联H桥型变流器的交流侧电流i准确地跟踪i*，从而实现对负载电流i谐波和无功分量的补偿，使得电网电流的波形接近正弦并使网侧功率因数达到单位功率因数。另外，为了使电路能够正常工作，各变流器单元的直流侧电压应该保持均衡；同时为了补偿系统本身的损耗，APF需要从电网吸收少量的有功功率，为此对直流侧进行反馈控制。整个系统的控制框图如图2所示。

图2 系统控制框图

文献[2,3]对载波相移SPWM技术（CPS-SPWM）消除和抑制谐波的数学原理进行了详细介绍，证明了CPS-SPWM技术可以在相当低的器件开关频率下达到较高等效开关频率的效果，在大功率APF中有良好的应用前景。谐波和无功检测采用文献[11]所介绍的基于瞬时无功理论下的谐波检测方法，能够准确实时的检测出负载电流中的谐波电流。

2 直流侧电压控制系统

2.1 三相电压的平衡控制

三相电压平衡控制的结构框图（以A相为例）如图3所示，整个控制的目标是保持各相中电容电压的和在参考值U附近。

图3 三相PI调节直流侧电压平衡原理图

基本思想是同相内的两个电容电压的和与参考电压的偏差经PI调节后与各相电压的单位正弦波相乘然后叠加到各相的参考电流中。即通过在各相参考电流中注入有功电流的方法来使得交直流侧发生功率交换，进而维持三相电压的平衡，因为在三相三线制系统中，由于三相电流之和为零，所以三相电流并不独立，所以B相的参考电流也如上图原理一样，但是C相电流直接为A，B两相电流和的相反数。

2.2同相电容电压的平衡控制

同相电容电压的平衡控制即同一相的两个级联H桥的直流侧电容电压的平衡控制。在稳态时直流侧电容电压的平均值如下[9]:

其中M为调制比，M为3次谐波分量调制比，为3次谐波分量与基波分量的相位差，∆j为由于各单元逆变器驱动脉冲延时导致的输出电压基波相位误差混合型损耗和并联型损耗分别用受控电流源 kI(=1,…,)和电阻R(j=1,…,)表示。从式（2）可以看出稳态直流电压分配仅与并联损耗、开关损耗、调制比、脉冲延时的差异及三次谐波电流有关，与电容容值无关。

由于同相H桥始终拥有相同的电流，因此无法通过叠加有功电流的方法来实现两个直流侧电容电压的平衡。考虑到在上小节三相电压平衡控制中，为了实现三相电压的平衡，各相的参考电流中都叠加了一定的有功电流。结合式（2），改变调制比M，便可以改变直流侧电压的稳态值，那么，如果能够在两个H桥单元的电压调制波中分别叠加与有功电流同相位但符号相反电压的话，便可以实现同相电容间的功率流动，进而实现同相直流侧电容电压的平衡控制。

以A相为例，同相的电容电压平衡控制原理如图4所示。其中，U为需要叠加到电压调制波上的有功电压量。i为上小节所述的叠加到A相参考电流中的有功电流。

图4 同相电容电压平衡控制原理图

3 仿真模型的建立及仿真分析

3.1仿真模型的建立

本文基于MATLAB 7.1平台建立了Simulink仿真模型，利用Simulink中的电力电子元件模拟实际电力系统中的电力电子元器件，模型建立方便、参数调整容易，运行快速。

系统的Simulink仿真总图如图5所示：系统电源为50Hz的220V三相电压，负载端电力电子元件为三相桥式不控整流器，负载直流侧为电阻性负载，电阻值为50Ω，电源与负载间的电阻值设定为10Ω,电感值为2mH。

图5 系统仿真总图

子系统1为谐波电流检测环节，其基本原理是，将三相电流经锁相环节从三相静止坐标变换到两相旋转坐标系，经低通滤波器滤除其中的交流分量，再经过逆变换变得到了负载电流中的谐波分量。

子系统2,3,4,分别为A,B,C相的级联H桥，H桥采用三个串联，电容值设置为0.1mF，其内部包含了H桥控制环节和发波环节,控制环节按照第二节所述的原理搭建，PI调节器的参数设置为k为5，k为10，直流侧电压的给定值设置为300V，三个H桥的平均值作为单相电容间均压的给定值，H桥的发波环节由载波相移原理将三角载波依次移动T/6得到，其中T三角载波的周期。

3.2 仿真结果分析

仿真结果如图6所示，依次为系统的三相电压，三相负载电流，经过滤波之后三相电网电流，可以看出经过滤波之后的三相电网电流波形基本接近正弦波，经FFT分析，其THD为4.90%，满足在5%以内的要求。如图7所示，为三相直流侧电压波形，可见三相的直流侧电压均稳定在参考电压值300V 附近，很好地实现了三相电压的平衡控制。另外，A相内的三个独立电容的电压值U，U，U也均稳定在电容电压参考值100V附近，从而也实现了同相内电容电压的平衡控制，最终实现了直流侧各个电容电压的平衡。

图6 电网电压，负载电流，电网电流波形

a）A相电容电压波形

b）A相直流侧电压波形

c）B相直流侧电压波形

d）C相直流侧电压波形

图7 本文电压平衡控制方法仿真波形图

另外由图7的a，b两图可以看出A相的电压跟基准值有微小的偏差，不如B，C相那么准确，这是由于三相电流并不独立，必然有一相电流得不到充分稳定有效的控制造成的，但是只要波动在合理的范围之内，对滤波效果没有影响，都是可以接受的，这种方法是非常有效的。

4 结论

通过仿真电路构建基于H桥级联有源电力滤波器模型实现实际系统电力电子器件的模拟仿真，对于基于H桥级联有源滤波器的直流侧电压控制问题采用了一种比较新颖的方法。仿真结果显示，该控制方法能较好的实现直流侧的稳压和均压问题，对于三相电流不独立问题可能会出现某相电压的波动，但是在能够接受的范围之内，该方法对实际系统有一定的参考作用。最后总的仿真结果显示，该有源滤波器能够对负载电流进行比较好的滤波，说明了该控制系统的正确性，有效性。

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责任编辑：顾红飞

2015-04-07

卢献法(1982-)，男，安徽阜阳人，阜阳职业技术学院助教，合肥工业大学硕士研究生。主要研究方向：电器工程。

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1672-4437（2015）02-0052-04