非隔离单相半桥UPQC直流纹波分析及其影响抑制

摘 要：

非隔离单相半桥统一电能质量调节器（UPQC）两侧变换器的脉动功率差将在直流电容及分电容上产生复杂的多倍频电压纹波，各次电压纹波会对串联侧变换器的补偿电压有不同的影响，降低串联侧变换器的补偿效果。为了抑制直流电压纹波影响，利用等效电容电流模型计算直流电容电压表达式，分析直流纹波及非线性负载对补偿电压的影响路径，并仿真验证其正确性。针对分电容电压纹波和非线性负载对电压补偿效果的影响，提出一种抑制多倍频纹波影响的补偿电压特定次谐波控制策略。最后，基于SiC器件建立了非隔离单相半桥UPQC实验平台进行实验验证，实验结果表明在非线性工况下，所提控制策略将补偿电压THD从12.2%降低至2.4%，相比于传统控制可以减少约70%的直流电容需求。

关键词：电能质量；统一电能质量调节器；分电容电压纹波；纹波影响抑制；补偿电压特定次谐波控制

DOI：10.15938/j.emc.2024.03.004

中图分类号：TM761

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2024）03-0033-10

收稿日期： 2023-02-22

基金项目：国家重点研发计划（2021YFB2601500）；国家自然科学基金（52077183）

作者简介：唐 岑（1999—），女，硕士研究生，研究方向为电力电子变换器控制与调制策略；

向诗彪（1997—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子变换器控制与调制策略；

孟令辉（1992—），男，博士，研究方向为电力电子变换器控制与调制策略；

朱唯伟（1996—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子变换器控制与调制策略；

舒泽亮（1979—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力电子技术及应用。

通信作者：舒泽亮

DC ripple analysis and influence suppression for transformer-less single-phase half-bridge UPQC

TANG Cen1， XIANG Shibiao1， MENG Linghui1， ZHU Weiwei1，2， SHU Zeliang1

（1.School of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;

2.Meyer Optoelectronic Technology INC， Hefei 230093， China）

Abstract：

The pulsating power difference between the series and parallel converter of the transformer-less single-phase half-bridge unified power quality conditioner （UPQC） generates multiple frequency voltage ripples on the DC-link capacitor and sub-capacitor. Different frequency voltage ripples generate different effects on the compensation voltage， and reduce the compensation effect of the series converter. In order to suppress the influence of the DC-link voltage ripple， the expression of DC-link voltage was calculated by using the equivalent capacitance current model， the influence path of DC-link ripple and nonlinear load on the compensation voltage was analyzed， and the ripple analysis was verified by simulation. Aiming at the influence of harmonic load and sub-capacitor voltage ripple on the voltage compensation effect， a compensation voltage specific order harmonics control strategy was proposed to suppress the influence of multiple frequency ripple. Finally， a UPQC experimental platform based on SiC devices was established. Experimental results show that under nonlinear conditions， the proposed control strategy reduced the compensation voltage THD from 12.2% to 2.4%， and can reduce the DC-link capacitance demand by about 70% compared with the traditional control.

Keywords：power quality; unified power quality conditioner; sub-capacitor voltage ripple; ripple influence suppress; compensation voltage specific order harmonics control

0 引 言

统一电能质量调节器（unified power quality conditioner，UPQC）兼具负载电流谐波和电源电压波动补偿功能，能较好地抑制电网电能质量对敏感负载的影响［1-3］。但半桥UPQC的分电容中点连接交流母线使得分电容电压中包含交流基频成分［3-5］，同时并联侧变换器补偿谐波电流引起的直流侧及分电容电压多倍频脉动，导致串联侧输出的补偿电压谐波含量大幅增加。

增加直流电容［6］、并联LC二次谐振滤波器［7］或增加有源功率解耦电路［8］等策略均可减少直流电压脉动。但这类方法增加了系统的体积、成本并降低了变换器的功率密度及稳定性。考虑到UPQC的直流母线不直接与负载相连，无需附加电路缓存脉动能量，只需抑制其波动的影响即可。因此，增加陷波器［9］、低通滤波器［10］减少进入控制环路的脉动量；设计比例谐振控制器跟踪谐波电流［11］或输出功率［12］以抑制直流电压脉动影响；通过重复控制器结合无差拍控制［13］、PI控制［14］以准确抑制任意整数倍频次谐波等方法被陆续应用。然而上述控制器存在的动态响应速度慢，鲁棒性差等问题［15］，并不利于UPQC系统的稳定补偿。文献［2］在电流内环注入电源电流谐波，能有效降低谐波含量，但检测出的各次谐波分量直接注入调制波，仍是开环控制策略，动态补偿效果不佳。因此本文选用补偿电压特定次谐波控制策略实现串联侧补偿电压谐波的闭环控制，抑制多倍频纹波的影响。

在非隔离半桥UPQC中，两侧变换器补偿时负载有功和无功功率都会流经变换器，相比隔离型UPQC，直流电容上的脉动功率差更大，因此直流电压脉动更加明显，分电容电压纹波成分也更为复杂。文献［4］分析了半桥UPQC的直流电压工频纹波，但没有考虑多倍频纹波和分电容电压脉动的影响，采用增大直流电容的策略无法有效抑制补偿电压的谐波含量。文献［5］设计了合理的PI截止频率来抑制直流电压的波动，但分电容电压脉动还是会在调制环节造成串联侧变换器补偿电压的畸变。综上所述，抑制直流电压波动的单一方案无法有效解决半桥UPQC分电容多倍频纹波降低串联侧补偿效果的问题，因此对非隔离半桥UPQC直流电压和分电容电压纹波的分析至关重要。

因此本文以非隔离单相半桥UPQC为研究对象，计算直流电容及分电容电压纹波的表达式，并分析分电容电压纹波和非线性负载对串联侧变换器补偿效果的影响。为抑制补偿电压的畸变，提出补偿电压特定次谐波控制方法，并进行实验验证。

1 半桥UPQC电容电压纹波分析

非隔离半桥UPQC拓扑如图1所示，半桥桥臂（Q1、Q2）、直流侧电容（C1、C2）、滤波电感Lc组成并联侧变换器，作为有源电力滤波器补偿非线性负载ZL产生的无功及谐波电流。半桥桥臂（Q3、Q4）、直流侧电容、滤波电感电容（Ls、Cs）组成串联侧变换器，可看作动态电压补偿器补偿电源电压vs的跌落及畸变［1-3］。单相UPQC由两侧变换器共用直流侧电容组合而成。

4 直流电容电压纹波分析仿真

为验证直流侧电容电压纹波分析的正确性，在MATLAB/Simulink中根据图1和表1搭建非隔离单相半桥UPQC仿真平台，其中并联侧滤波为LCL电路。电压波形及FFT分析结果如图6所示。其中下电容电压分析结果与上电容一致。

由图6（a）可知，上电容电压仿真与理论相比，峰值差小于0.21%，峰峰值相差0.64%。总电容电压峰值差小于0.16%，峰峰值相差8.33%。

由图6（b）FFT分析结果可知，上电容电压工频成分幅值仿真与理论相差0.11%；2倍工频成分幅值相差0.10%；4倍工频成分幅值基本相等。总电容电压几乎无工频成分，2倍工频成分幅值相差0.10%；4倍工频成分幅值基本相等。

因此UPQC带非线性负载时，分电容电压各次分量幅值相差不超过0.11%，总电容电压各次分量幅值相差不超过0.10%，验证了非隔离半桥UPQC直流电压和分电容电压纹波分析的正确性。

由式（7）和式（9）可得上电容电压和总电容电压纹波系数随负载变化的波形并仿真验证如图7所示。由图7（a）可知，上电容纹波系数随Ip和Iq的增大而增大。总电容纹波系数随Iq的增大而增加，当Ip增大时系数不变。因此线性负载工况下，只要带载分电容上就有电压纹波，而总电容电压纹波是由负载无功功率引起的。上电容电压的仿真和理论值最大相差3.8%，总电容电压最大相差0.95%。

在非线性负载工况下，设置负载电流各次成分等比例变化，当n=1时，Ip=Iq=1 A，I3p=I3q=0.6 A。由图7（b）可知，各次电压纹波系数均随着负载加重增加。上电容电压工频分量的仿真和理论值最大相差0.24%，总电容电压最大相差0.76%，证明了不同工况下理论的正确性。

以n=5的非线性负载工况为例，测试不同直流分电容时串并联侧变换器在不同控制策略下的补偿性能，结果如图8所示。随着分电容增大，电源电流和补偿电压THD减小。在电容较小时，所提控制策略可以明显抑制直流电压纹波对并联侧电流补偿和串联侧电压补偿的影响。传统控制下分电容为2 000 μF左右才能实现与所提控制下分电容600 μF相同的电源电流THD。在补偿性能相同的情况下，所提出的控制策略可使直流分电容降低约70%。分电容超过600 μF后，直流电压纹波对补偿电压影响较小，所提控制可实现较低的补偿电压THD。

综上可知，直流电压纹波系数与变换器传递的有功、无功功率有关，不同纹波系数也会影响串并联侧变换器补偿性能，因此直流电容的选择也与上述条件有关。考虑到直流电压等级较高，在实验系统留有裕度的前提下取纹波系数0.38，取直流电容为525 μF。

5 实验验证

参照表1所示参数搭建非隔离单相半桥UPQC实验平台，功率等级350 W，验证所提补偿电压特定次谐波控制策略的正确性，平台如图9所示。

UPQC的系统启停波形如图10所示：（a）阶段继电器J1吸合，预充电开始，直流电压上升；（b）阶段继电器J2吸合，继电器J1断开，预充电过程结束，电压传感器检测到系统处于欠压状态；（c）阶段继电器J3吸合，切入输出电容，启动串联侧变换器，补偿电源电压跌落；（d）阶段并联侧进入可控整流阶段，直流电压上升到额定值，两侧变换器均在工作；（e）阶段UPQC带载，并联侧开始补偿无功电流和谐波电流，补偿电压和直流电压均稳定；（f）阶段切载，电源电流归0；（g）阶段并联侧停机，回到不控整流状态，直流电压下降；（h）阶段串联侧停机，补偿电压下降到0；（i）阶段输入电压断开，UPQC系统停机。

图11为补偿电压特定次谐波控制的实验波形图。如图11（a）所示，在传统控制下，非线性工况时补偿电压的THD为12.2%，其中3次谐波有效值达到2.9 V，5次达到2.0 V，7次达到0.9 V，9次达到0.5 V，而11次、13次等谐波含量不超过0.1 V，因此忽略不计。说明带非线性负载时，串联侧补偿电压中存在明显的奇次谐波。此时负载电压THD为4.8%。

图11（b）为电压环加入3次、5次、7次谐波控制后的实验波形图。当加入特定次的谐波控制后，相应的奇次谐波含量会有明显下降。其中，3次谐波有效值从2.9 V下降到了0.2 V，5次谐波有效值从2.0 V下降到了0.2 V，7次谐波有效值从0.9 V下降到了0.1 V。串联侧补偿电压THD从12.2%下降至2.4%，负载电压THD从4.8%下降至2.0%。加入7次谐波控制后，各次谐波含量都接近0，负载电压也保持高正弦性，因此不再加入更高次谐波的补偿控制。根据实验数据，图12为加入各次特定次谐波控制后的补偿电压THD。

当特定次谐波控制从3次增加到5次、7次，补偿电压的THD从12.2%到7.4%、3.4%，最后下降至2.4%。加入特定次的谐波控制之后，相应的谐波分量就会明显降低，而其余次谐波基本无变化。实验结果证明了所提的补偿电压特定次谐波控制可以有效降低串联侧变换器补偿电压的谐波含量。

UPQC满载（25 Ω）带载/切载动态实验波形如图13所示。带载时并联侧变换器投入工作，正常输出补偿电流。补偿电压在带载160 ms后回到额定值，直流电压超调量约40 V。切载时恢复时间200 ms，超调量约70 V。电源电压变化的动态响应波形如图14所示，电源电压有效值从56 V突升到72 V再突降回56 V，负载电压在升压和降压过程中均经过约120 ms回到额定值，电源电流和补偿电压重新达到稳态值。以上动态测试结果证明整个系统保持良好的动态补偿特性。

6 结 论

本文以非隔离单相半桥UPQC为研究对象，利用等效电流模型推导直流电容电压的表达式。在此基础上，分析了非线性负载和分电容电压的影响路径及补偿电压的谐波成分，并提出一种提高串联侧变换器补偿性能的特定次谐波控制策略。仿真及实验结果表明：

1）分电容电压纹波和非线性负载会通过调制和控制环节增加串联侧补偿电压的奇次谐波含量，其畸变程度随负载电流谐波含量的增加而加重。

2）本文提出的补偿电压特定次谐波控制策略，可在非线性工况下将串联侧变换器补偿电压THD从12.2%降低到2.4%，相对于传统控制策略所提控制可以减少约70%的直流电容需求。

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（编辑：刘琳琳）