基于混合调制的混合H桥级联APF研究

张国荣，武志强

（合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心，安徽 合肥 230009）

基于混合调制的混合H桥级联APF研究

张国荣，武志强

（合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心，安徽 合肥 230009）

有源电力滤波器能够有效地、实时地跟踪补偿非线性负载产生的幅值、频率变化的谐波和无功电流。研究了一种星型结构的混合3单元H桥级联三相APF，在中高压领域有比较广阔的应用前景。首先对其进行了数学建模，详细地分析了混合调制方式；指令电流采用基于瞬时无功功率理论的方法进行提取，H桥模块直流侧电压采用分层控制来实现稳压。通过仿真验证了设计的APF能够有效地补偿负载电流中的畸变成分，系统表现出良好的稳态和动态性能。

混合H桥级联；有源电力滤波器；混合调制方式；瞬时功率理论；直流电压分层控制

随着经济与社会的发展，电力电子设备已经被大量应用于工业生产和日常生活，而绝大多数的电力电子设备属于非线性负载，在工作的过程会污染电网，进而影响接入电网其他设备的正常运行。

有源电力滤波器作为解决谐波污染的最有效手段之一，能够实时跟踪补偿非线性负载产生的谐波，近年来发展迅速，已经成为众多学者关注的焦点。但是受限于开关器件（IGBT）的耐压等级和开关速度的限制，APF在中高压领域的应用时，常需要结合无源滤波器组成混合APF，或者使用改进型的多电平APF。混合APF在设计时要兼顾无源滤波器和有源滤波器，工作量大［1］；多电平APF是解决APF在中高压领域应用的一个有效方案。目前，多电平APF的主要型式有飞跨电容型［2］、二极管钳位型［3］、常规H桥级联型［4-5］以及本文研究的混合H桥级联型［6-9］。

H桥级联型结构的每个H桥单元结构类似，易于模块化实现，通过增加级联的H桥数目能够大幅度地提高装置的耐压等级，增加逆变输出的电平数，同时降低输出波形的谐波量和畸变率。常规n单元H桥级联型APF的每个H桥模块直流侧电压相同，可以逆变输出（2n+1）个电平［4-7］；本文研究的混合H桥级联型APF的直流侧电压稳定值按照1∶2∶22∶…∶2n-1分配，逆变侧的输出电平数可以达到（2n+1-1），级联单元相同的情况下，大大降低了逆变波形的畸变率，更易于滤波［6-9］。

文献［6-7］采用的是混合2单元H桥级联的APF，相对于常规H级联结构并没有表现出明显的优势；H桥直流侧电压稳定采用零序电流注入的方式，H桥级联单元继续增加时，计算量会成倍增大，控制策略会更加复杂。

文献［8-9］中也是采用2单元H桥级联，其采用的调制方式是调制波先与层叠的三角波比较得到高低电平，而后再通过逻辑运算得到开关管的触发脉冲，逻辑运算复杂，更多H桥单元级联时并不适用；另外文献中采用的H桥单元直流侧平衡策略也受限于文中拓扑结构，难以推广。

文献［10-12］中采用的直流侧电压平衡策略应用在常规H桥级联结构中控制效果良好，但是在混合H桥级联结构中难以推广。

本文首先给出了混合H桥级联型三相APF的原理结构图和数学模型，在此基础上提出并分析了混合调制方式，然后本文设计了混合H桥级联APF的控制系统，最后通过仿真实验验证对本文方案进行了可行性验证。

1 数学模型

本文研究的混合H桥级联三相APF的电路拓扑如图1所示，每相由3个H桥单元级联而成。电气参数为：电网相电压峰值USa，USb，USc=311 V；APF功率等级P=9 kV·A；滤波电感L=1 mH；等效串联损耗R=0.1 Ω；直流母线电容C=6 800 μF；u1，v1，w1的电压值Udca1；Udcb1，Udcc1=280 V；u2，v2，w2的电压值Udca2，Udcb2，Udcc2=140 V；u3，v3，w3的电压值Udca3，Udcb3，Udcc3=70 V；u3，v3，w3的载波频率为2 000 Hz。

图1 混合H桥级联三相APF拓扑Fig.1 The topology of a hybrid cascaded H-bridge three-phase APF

建模时假定满足如下几个条件：

1）三相电网电压是平衡的；

2）每个H桥模块器件参数相同；

3）每相的滤波电感L是相同的；

4）装置每相的等效串联损耗用R表示。

将APF简化成3个单相电路进行建模如下：

式中：i为每相H桥单元的序号，i=1，2，3；j为三相中的一相，j=a，b，c；icj为j相输出的补偿电流；Udcji为j相第i个H桥单元直流侧线电压；UjN为j相逆变侧输出电压；USj为j相电网相电压；UNO为APF中心点电压相对于电源中性点的电压；L为滤波电感；R为等效串联电阻；C为直流侧电容。

式中：Sji为j相第i个H桥单元的开关函数。

当三相电路平衡时：

2 混合调制方式

多个H桥级联可以提高逆变输出的电平数，降低输出波形的畸变率。本文取n=3，则逆变侧输出的电平数可以达到2n+1-1=15。本文提出的混合调制方式如图2所示。首先，将给定正弦波vs1与比较电平Vcmp1作比较，当vs1＞Vcmp1时，vcu1= Vcu1；当vs1＜-Vcmp1时，vcu1=-Vcu1；当-Vcmp1＜vs1＜Vcmp1时，vcu1=0。根据vcu1来求取H桥1单元开关管的触发脉冲，见表1。

然后，用vs2与比较电平Vcmp2对比，当vs2＞Vcmp2时，vcu2=Vcu2；当vs2＜-Vcmp2时，vcu2=-Vcu2；当-Vcmp2＜vs2＜Vcmp2时，vcu2=0。根据vcu2来求取2单元开关管的触发脉冲，类似于表2中的触发规律。

最后，H桥3单元的触发脉冲通过调制波vs3来求取。vs3与三角载波vtri1比较得到脉冲pulse1，pulse1和它的互补脉冲分别驱动H桥3单元的开关管VT31和VT32；三角波vtri1求反得到三角波vtri2，用vs3与vtri2比较得到触发脉冲pulse2，pulse2和它的互补脉冲分别驱动开关管VT34和VT33。

图2 混合调制方式图解Fig.2 Diagram for hybrid modulation

表1 H桥单元的触发脉冲规律Tab.1 Trigger rule of H-bridge unit

通过混合调制方式，就可以在级联H桥单元的逆变输出端得到1个如图3所示的15电平的阶梯波来逼近正弦给定波。

图3 级联H桥逆变侧的波形Fig.3 The waveform of the inverter side for the cascaded H-bridge

3 系统控制策略

控制系统分成3个部分：谐波及无功电流检测、指令电流跟踪和直流侧电容电压稳定控制。电流检测采用文献［13］中提出的ip-iq检测方法，指令电流跟踪采取文献［4］的直接电流控制策略。

各模块之间的直流侧电容相互独立，但是模块之间串联损耗和混合损耗存在差异，如果不施以措施，电容电压会偏离正常的工作范围。本文采用改进的双层控制法［4］，如图4所示。

图4 直流侧电压双层控制框图Fig.4 Block diagram of DC voltage double-layer control

3.1 上层总体电压稳定控制

采用上层总体电压稳定控制的主要目的是控制APF各相中3个H桥模块的总电压稳定在7E（本文中E=70 V），基于电压外环、电流内环的上层总体电压稳定控制如图5所示，图中Ujdc3*=E。输出信号Vjm就是j相所需的调制信号。

图5 直流侧上层总体电压稳定控制Fig.5 Diagram of total DC voltage upper regulated control

图5中的j=a，表示对a相的控制；当j=b或c时，ωt分别用(ωt-2π/3)和(ωt+2π/3)代替。给定初始电压Udca1=250 V，Udca2=120 V，Udca3=60 V，图6是在只采用上层总体电压稳定控制时a相直流侧电压的动态变化波形。可见，直流侧电压不能按照4E∶2E∶E的比例稳定在各自的电压值。

图6 上层控制各H桥单元直流侧电压波形Fig.6 Voltage waves of H-bridge units only with upper regulated control

3.2 下层独立电容电压控制

导致电容电压产生波动最直接的原因是电容的充放电，因此在上层控制的基础上微调各相内H桥单元的开关管脉冲，调整电容的充电和放电过程，便可使其得到控制。下层独立电容电压控制的思想，就是在各相内每个H桥单元输出电压矢量Uoji（j=a，b，c；i=1，2，3）上叠加一个与补偿电流ic方向平行的小矢量Δvmji,控制每个H桥单元吸收和释放的有功功率，进而起到控制电容电压的作用。当直流侧电压Vdcji低于给定值V*dcji时，控制Δvmji与补偿电流ic相同，使H桥单元吸收有功功率，给电容充电；反之亦然。因为下层控制是在上层控制的基础上进行的，不能干扰到上层控制，因此各相的Δvmji必须满足［4］：

补偿电流ic中占绝大部分的是谐波和无功电流，所以可以近似地把ic的方向取为与电网电压矢量正交的方向，即ic的方向可以用电网电压相位的单位余弦信号cos(ωt)来代替。图7是a相下层独立电容电压控制框图。直流侧电压波动情况如图8、图9所示，启动之后，直流侧电压能很快稳定在Udca1∶Udca2∶Udca3=280 V∶140 V∶70 V，3个单元的总电压稳定在490 V附近；b相和c相的情况亦然。

图7 下层独立电容电压控制框图Fig.7 Block diagram of lower regulated control for single capacitors′voltage

图8a相直流侧总电压Fig.8 Total voltage wave of DC voltages in phasc-a

图9a相各H桥单元直流侧电压Fig.9 DC voltage of cvery H-bidge unit in phase-a

4 仿真实验验证

如图10所示，利用Matlab的Simlink平台进行综合仿真验证。

图10 系统总体控制框图Fig.10 Block diagram of the overall control ststcm

4.1 稳态性能测试

如图11所示，补偿前，a相的负载电流iLa的THD为27.66%；补偿之后，a相电网的电网电流iSa的THD为0.69%。如图12所示，负载电流中的前50次谐波都得到了有效的补偿。

图11 稳态时的负载电流、补偿电流、电网电流波形Fig.11 Load current，compensation current and grid current waveforms in the steady state

图12 电网电流FFT分析Fig.12 FFT analysis of the grid current

4.2 动态性能测试

动态时的负载电流、补偿电流、电网电流波形如图13所示。

图13 动态时的负载电流、补偿电流、电网电流波形Fig.13 Load current，compensation current and grid current waveforms in the dynamical state

如图13所示，在t0点之前系统处于空载状态；t0点时给系统突加负载，iL瞬间呈现非线性波形，经过不到半个周期的时间，iC便能准确跟踪指令电流，电网电流iS按单位功率因数输出；t1点时负载突然加重，iL的幅值瞬间增大，iC在1个工频周期内便能准确跟踪到谐波和无功电流，使电网电流iS接近新的正弦波；在t2点iL恢复，iS在1个工频周期内便能稳定地输出新的正弦波。可见整个APF系统表现出比较优良的动态性能。

5 结论

本文设计了1个混合三单元H桥级联的并联三相APF，对其进行了数学建模，并对系统的调制方式和控制策略进行了分析和设计。通过仿真实验验证了混合H桥级联型拓扑可以在提高装置电压等级的同时，还能在输出端输出更多的电平数，使输出电流更加准确地跟踪指令值；H桥直流侧电压的稳定采用电压双层控制策略，有效地解决了分离电容的电压稳定问题；基于混合调制和电压双层控制的混合H桥级联三相APF具有比较良好的稳态和动态性能。

［1］黎燕，罗安，方璐，等.高电压等级新型混合型有源滤波器［J］.电工技术学报，2013，28（6）：147-157.

［2］洪峰，刘苗，嵇保健，等.一种飞跨电容型多电平逆变器电容建压方法［J］.中国电机工程学报，2012，32（6）：17-23.

［3］高聪哲，姜新建，李永东.一种新型自均压二极管钳位级联有源滤波器［J］.电力系统自动化，2012，36（12）：94-100.

［4］张国荣，邹扬，张桓，等.电压分层控制的H桥级联有源滤波器研究［J］.电子测量与仪器学报，2015，29（6）：844-852.

［5］Napoles J，Watson A J，Padilla J J，et al.Selective Harmonic Mitigation Technique for Cascaded H-bridge Converters with Nonequal DC Link Voltages［J］.Industrial Electronics，IEEE Transactions on，2013，60（5）：1963-1971.

［6］Du S，Liu J，Lin J.Hybrid Cascaded H-bridge Converter for Harmonic Current Compensation［J］.Power Electronics，IEEE Transactions on，2013，28（5）：2170-2179.

［7］Du S，Liu J，Lin J，et al.A Novel DC Voltage Control Method for STATCOM Based on Hybrid Multilevel H-bridge Converter［J］.Power Electronics，IEEE Transactions on，2013，28（1）：101-111.

［8］Chen Z，Wang Z，Li M.A Hybird Cascade H-bridge Seven-level Converter for Active Power Filter［C］//Industrial Electronics Society，IECON 2014-40th Annual Conference of the IEEE.IEEE，2014：1041-1047.

［9］Chen Z，Xu Y，Wang Z，et al.Modulation and Control of a High Performance Hybrid Cascade H-bridge Seven-level Active Power Filter with Star Configuretion［C］//Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC），2015 IEEE.IEEE，2015：2141-2147.

［10］田铭兴，阎宏，赵雨欣.级联H桥SVG直流侧电容电压平衡控制方法［J］.电网技术，2013（9）：2632-2638.

［11］赵波，郭剑波，周飞.链式STATCOM相间直流电压平衡控制策略［J］.中国电机工程学报，2012，32（34）：36-41.

［12］刘钊，刘邦银，段善旭，等.链式静止同步补偿器的直流电容电压平衡控制［J］.中国电机工程学报，2009，29（30）：7-12.

［13］唐蕾，陈维荣.瞬时无功功率理论坐标变换的推导及谐波电流检测原理分析［J］.电网技术，2008（5）：66-69.

［14］王明菊，张昌凡，兰志杰.一种改进的高压大功率有源电力滤波器设计及实现［J］.电子测量与仪器学报，2007，21（3）：108-112.

［15］Sreenivasarao D，Agarwal P，Das B.Performance Evaluation of Carrier Rotation Strategy in Level-shifted Pulse-width ModulationTechnique［J］.IETPowerElectronics，2013，7（3）：667-680.

［16］Sano K，Takasaki M.A Transformerless D-STATCOM Based on a Multivoltage Cascade Converter Requiring no DC Sources［J］.Power Electronics，IEEE Transactions on，2012，27（6）：2783-2795.

Study of Hybrid H-bridge Cascaded Active Power Filter Based on Hybrid Modulation

ZHANG Guorong，WU Zhiqiang
（Research Center for Photovoltaic System Engineering，Hefei University of Technology，Hefei230009，Anhui，China）

Active power filter is capable of，effectively and real-timely，tracking and compensating harmonic and reactive current varying in the amplitude and frequency，which generated by nonlinear loads.Presented a hybrid H-bridge three-phase APF with 3 units cascaded，as its main circuit was with star configuration，which has a further application prospects in the field of middle and high voltage.At first，the mathematical model was built，and the hybrid modulation method was analyzed in details.Then，instantaneous reactive power theory was adopted to extract the harmonic and reactive current.DC side voltages of H-bridge units were stabilized with using hierarchical control．The simulation results show that the APF designed can effectively compensate the distortion of load current，and the system revealed good steady and dynamic performance.

hybrid H-bridge cascade；active power filter；hybrid modulation；instantaneous power theory；DC voltage hierarchical control

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20161208

2015-11-12

修改稿日期：2016-06-15

广东省引进创新科研团队计划资助（2011N015）；国家863高技术基金项目（2015AA050104）

张国荣（1963-），男，博士，教授，博士生导师，Email：zhanggrcao@163.com