级联H桥有源电力滤波器直流电压控制策略研究

叶傅华, 王江涛, 吴 鹏

上海电气输配电集团 上海 200042

1 研究背景

级联H桥结构是目前中高压等级电力电子设备最具发展前景的主电路拓扑,其拓扑结构简单,容易扩展为不同容量及电压等级,可以批量化生产子单元,在系统级设计定制化控制策略。基于H桥级联的各类电力电子设备,包括有源电力滤波器、静止无功补偿装置[1]、电力电子变压器[2]、储能设备[3]、动态电压恢复器[4]等,都得到了飞速发展和应用。

传统的谐波抑制方法是采用LC调谐滤波器,因结构简单且可补偿无功,一直被广泛应用,但是容易受电网阻抗和运行状态影响,动态性能较差。目前,谐波抑制的一个重要发展方向是采用有源电力滤波器[5]。

级联H桥有源电力滤波器直流电压的均衡对装置的整体稳定运行至关重要,因此直流侧电压的均衡策略得到了人们越来越多的关注和研究。刘文华等[6]提出一种基于直流母线能量交换的直流电压平衡控制方法,但电路结构复杂,设备成本较高。黄海宏等[7]考虑电网电压的不对称情况,通过在交流侧加入负序电压实现三相之间功率的重新分配,以实现直流侧电压的平衡。彭咏龙等[8]提出一种自适应比例积分控制,代替传统比例积分控制,实现有源电力滤波器总直流电压、相间直流电压及相内直流电压的均衡。有源电力滤波器正常工作时基波电流非常小,笔者根据这一特点,使控制装置输出一个稳定的基波正序无功电流,用以提高相内均压的控制效果。笔者在低压实验平台上搭建了两级级联单元,验证直流电压控制的有效性,为后续高压试验及实际中高压应用提供理论基础。

2 直流电压波动原因

级联H桥有源电力滤波器主电路拓扑结构如图1所示。图1中:Us_a、Us_b、Us_c为电网单相电压,L为滤波电抗器,R为单相损耗等效电阻,Ia、Ib、Ic为有源电力滤波器单相补偿电流,Udc_a1～Udc_aN、Udc_b1～Udc_bN、Udc_c1～Udc_cN为单相级联直流电压,Uc_a1～Uc_aN、Uc_b1～Uc_bN、Uc_c1～Uc_cN为H桥单元输出电压。定义Uc_a、Uc_b、Uc_c为交流侧单相输出总电压。

图1 级联H桥有源电力滤波器主电路拓扑结构

根据文献[9],有:

(1)

如果H桥单元的直流侧均压为Udc,电容值为C,那么根据能量守恒关系有:

(2)

设有源电力滤波器的调制比为M,电压角频率为ω,时间为t,无功控制角为δ,则有:

(3)

联立式(1)、式(2)、式(3),设电网相电压幅值为Us,设备输出电流d轴、q轴分量分别为Id和Iq,进行dq坐标变换,可得:

(4)

由于式(4)中δ值较小,因此第三行可简化为:

(5)

由式(5)可以看出,直流电压波动受调制比、滤波电感、级联单元数、电容、电流有功分量影响。在控制策略中,可以调节的有调制比与有功电流分量。一般调制比与系统功能控制策略有关,可以通过微调提高均压效果。通过调节有功电流分量,可以从系统吸收有功功率,补偿装置运行过程中的直流电压损耗,达到稳定总直流电压的目的。

3 直流电压控制

3.1 总直流电压控制

级联H桥有源电力滤波器总直流电压控制与传统逆变器控制原理相同,即通过控制装置输出的有功功率来稳定直流电压。级联H桥有源电力滤波器总直流电压控制原理框图如图2所示。

(6)

3.2 相间直流电压控制

根据文献[10],级联H桥变流器可以不吸收电网功率,仅通过相间功率交换,实现设备三相间电压的均衡控制。有源电力滤波器的功能为补偿负载谐波电流,因此不考虑其输出负序电流,则三相功率波动控制可以通过增加一个零序电压来实现。功率波动关系式为:

(7)

式中:U0为注入的零序电压幅值;Ip为输出的基波电流正序分量有效值。

图3 级联H桥有源电力滤波器相间直流电压控制原理框图

(8)

3.3 相内直流电压控制

由于H桥各个模块之间存在参数差异,单相内各个直流电压间也有不同,因此需要采用相内均压策略实现底层的直流电压控制。级联H桥有源电力滤波器单元主电路如图4所示。当有源电力滤波器电流流入电容,即向电容充电时,直流电压升高。当有源电力滤波器电流流出电容,即向电容放电时,直流电压降低。

图4 级联H桥有源电力滤波器单元主电路

图5 级联H桥有源电力滤波器相内直流电压控制原理框图

有源电力滤波器在直流电压稳定后的整流过程中及补偿负载谐波电流时,仅输出极小的基波电流,相内均压的符号判断误差会引起相内均压失败。对此,提出控制有源电力滤波器输出一个稳定的小无功电流,用以提高相内均压的控制效果。

4 试验验证

为了验证级联H桥有源电力滤波器直流电压控制策略的正确性,在380 V电压等级下搭建了两级级联H桥有源电力滤波器试验样机,单个单元直流电压控制为300 V,网侧滤波器电感为3 mH,开关频率为3 kHz。

第一次试验,采用所研究的电压控制策略,但未采用经过修正的相内均压措施,单独发五次谐波电流时,同一相的两个子单元直流电压分别为298 V和312 V,并有发散的趋势,如图6所示。

图6 第一次试验结果

第二次试验,采用经过修正的相内均压策略,控制有源电力滤波器输出2 A基波电流、五次30 A谐波电流,直流电压稳定在300 V左右,很好地实现了相内均压效果,同时三相总直流电压稳定在600 V左右,如图7所示。

图7 第二次试验结果

5 结束语

笔者在分析直流电容电压波动的基础上,提出了级联H桥有源电力滤波器直流电压控制策略。通过控制基波正序有功电流,控制总电压稳定。通过调节相间有功分布,控制相间均压。通过在每个子单元上叠加一个电压矢量,实现相内均压。根据有源电力滤波器的特点,使控制装置输出一个稳定的基波正序无功电流,用以提高相内均压的控制效果。在低压实验平台上搭建了两级级联单元,验证了直流电压控制策略的有效性,为后续高压试验及实际中高压应用提供了理论基础。