多电平单相级联有源滤波器载波调制与电容电压平衡方法

夏焰坤

（西华大学电气与电子信息学院，成都610039）

多电平单相级联有源滤波器载波调制与电容电压平衡方法

夏焰坤

（西华大学电气与电子信息学院，成都610039）

级联型结构变流器在高压大功率领域得到越来越广泛的应用。该文研究一种级联相移多电平单相电压型电力有源滤波器结构，首先分析了模块单元间载波相移控制原理，其次提出了一种直流侧电容电压平衡控制方法，最后在Matlab仿真平台上搭建了仿真模型。仿真结果表明，该级联结构滤波器能够有效治理负载引起的谐波电流，并且保证了各模块直流侧电压稳定。

级联相移；有源电力滤波器；谐波；电容电压平衡；多电平

随着电力电子技术的发展，电力电子变流设备一方面给人们带来方便、高效电能，另一方面由它带来的谐波、非线性、不平衡用电的特性，也给电网带来严重污染[1-2]。为了提高电力系统电能质量，减少污染，传统的方法就是采用无源LC滤波，即将滤波LC并联在电源与感性或非线性负载之间，为负载提供无功电流，同时也为谐波电流提供通路。然而无源补偿存在着只能补偿固定的谐波电流、难以准确补偿变化的谐波电流、体积较大等缺点。

采用先进电力电子技术的电力有源滤波器APF（active power filter）[3-4]能够克服无源滤波器的种种缺点，近年来得到迅速的发展。传统单相桥式结构电压型有源滤波器能够补偿无功和谐波电流，但仍然存在着中间直流电压大，对电压耐压要求高；变流器自身产生的开关频率谐波含量高。近年来多电平变换器[5-7]由于能够采用低压器件实现高压大功率输出，易于模块化设计和安装，特别适合中高压应用场合[8-10]，不少文献研究了应用于三相系统的多电平滤波器结构和控制策略，但针对单相电路的场合研究相对较少。

相对于三相有源滤波器结构，单相结构滤波器存在着谐波电流检测有差异、稳定时直流侧电压纹波大（2次谐波造成）；另一方面单相级联模块化结构经过组合易于构成三相补偿结构，因此单相结构控制策略往往是三相结构控制策略的基础。因此，有必要对单相级联滤波器展开相关研究。

本文以单相级联结构滤波器为对象，研究了采用级联相移多电平变流器结构的有源滤波器原理和载波相移原理，提出了一种电容电压平衡控制方法，最后又进行了仿真验证。

1 主电路结构及控制策略

1.1 主电路结构及原理

级联相移多电平变流器结构的单相有源电力滤波器电路主结构如图1所示。

滤波器由多组单相四象限变流器串联构成，参数上完全一致。中间直流耦合电容容量较大，近似看作直流电源。N组变流器可看作由独立电源构成的级联变流器。

有源滤波器可理解为将电网中的谐波电流检出，并产生与其相反的补偿电流以抵消电网中有害电流的电力电子装置，从而达到消除网侧输入电流中无功与谐波分量的目的，使电流得到补偿。

图1中，未补偿时系统侧电流is和负载电流iL满足

式中，ip、iq、ih分别为电流有功、无功和谐波成分；

若令补偿电流ic=-ih，则此时补偿后系统电流与常规滤波器不同，级联滤波器除了产生补偿电流外，还要设计每组变流器模块直流侧电压之间的均压控制以及载波调制方式。

1.2 三角载波移相控制原理

假设级联单元数为N，各单元载波相移度数为π/N，总的输出电压为

式中：Ck为输出电压的幅值系数；ϕk为各次谐波电压相位。

输出电压中将包含以下3种情况。

1）基波信号

式中：N为级联单元数；E为模块直流电压；Qkm为调制波幅值。

2）载波信号

当k=mNkc（m=1，2，…，∞）时

式中：kc为载波次数；J0(·)为零阶贝塞尔函数。

3）基波信号

当k=mNkc+n（m=1，2，…，∞；n=±1，±2，…，±∞）时

可以看出，输出电压不再含有2Nkc±1次及以下谐波，等效总输出电压为各单元输出电压之和，等效载波频率为k=Nkc。即实现采用较低开关频率和较低电压等效一个较高开关频率、高电压H桥单相变流器。从而有利于降低高频下开关损耗、降低变流器开关管电压等级。

载波相移效果如图2和图3所示，开关频率取250Hz，级联单元数为3，调制比为0.6，可得相应输出电压波形和频谱。

三角载波移相SPWM调制法特别适合级联多电平变流器的控制，每组变流器的正弦调制波相同，但是相邻两组变流器三角载波存在相位差。对于双极性三角载波移相控制，各三角载波相位相互错开π/N。如此，各组变流器产生的SPWM脉冲的基波相位、幅值都相同，但脉冲不重合，最终输出电压等效的开关频率2N倍（双极性）。图2中单组变流器端口电压开关频率集中在500 Hz处；3组级联单元载波相移时端口电压开关频率集中在1 500Hz处，大大改善了端口电压畸变率。

1.3 电容电压平衡控制策略

电网侧每一相均采用N个H桥级联构成链式拓扑结构，具有良好的谐波特性。针对链式结构变流器存在的直流侧电压平衡问题，本文借鉴文献[11-12]中的分层控制思想，提出在上层控制中采用双闭环控制策略，下层控制中采用基于有功电压矢量叠加的平衡控制策略，在不影响系统无功的情况下，增大系统的有功输入来实现直流侧电压的平衡。功率变换系统电网侧的控制策略如图3所示，其中uf为上层控制中得到的调制波形，Δuf为下层控制策略中在各链节H桥上叠加的有功分量，uf1至ufN为经平衡控制之后各个链节的调制波形，其他参量见图4所示。

上层双闭环控制策略中，电压外环采用PI调节器跟踪直流电压；电流环中将u作为前馈加入，用于抑制u波动带来的扰动。为改善控制系统的响应速度，电流环采用比例调节器实现对电流的快速跟踪控制。

下层控制策略的基本思想是在上层控制的基础上叠加一个与网侧电流方向平行的矢量，实现对各链节吸收有功的调节。当直流侧电压偏小时，叠加一个正向电流分量；当电压偏大时，叠加一个反向电流矢量。以各链节直流侧电压的平均值作为参考值，实际电压作为反馈值，每个链节的有功调控通过闭环来实现。下层控制的原理如图5所示。

谐波电流检测单元原理如图6所示，负载电流iL（t）减去有功电流和无功电流成分即得到谐波电流指令i（t）。谐波电流指令和直流侧稳压偏差一起构成系统电流环指令电流，见图6所示。

2 仿真验证

本文对图1所示的级联相移多电平变流器结构的有源滤波器，建立基于Matlab/Simulink的3组H桥级联的滤波器仿真模型。取电源电压u=1 kV，负载功率因数为0.866（滞后），15%3次谐波，7%5次谐波，负载电流。电容平衡控制系统中，上层控制中电压环节采用PI控制器，Kp=0.1，Ki=0.1，电流环采用比例控制，Kp=10；下层控制中电压环节采用比例控制，Kp=0.1。每组H桥开关频率选为1 kHz，相互移相π/3。

图7给出了不采用任何补偿时，负载端口电压、电流波形（放大了4倍，便于观察）以及电流频谱，从图中可看出电流畸变率达到16.5%。

图8给出了采用3组变流器级联单元有源滤波器补偿负载端口电压、电流波形以及电流频谱。变流器由3个单元级联组成，L=2mH，C=10mF每个单元直流侧电压给定值Ud=500 V，开关频率1 000 Hz。从图中可以看出经过补偿后电流畸变率减小到2.1%.图9给出了直流侧电容电压仿真波形，在电容电压平衡控制加入之前（0.3 s），直流侧电容电压相差较大，加入平衡控制策略之后，三组电容电压能够达到平衡。

比较图7和图8可以看出，采用多组低压单元级联有源滤波器两种结构能较好地改善系统侧电流，使得谐波含量大大减小。

3 结语

本文对一种级联结构单相有源电力滤波器进行了理论分析和仿真实验。结果表明，级联相移多电平变流器结构的有源滤波器采用本文所提的电容电压平衡控制后能够使得电容电压快速达到平衡，保障滤波器的正常工作，谐波治理效果较好。仿真结果验证了本文控制策略的有效性。本文所研究的载波调制和平衡控制方法，既适合单相级联滤波器，同样也适合单相级联构成的三相滤波系统。

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Carrier M odulation and Capacitor Voltage Balance Controlof a CascadeM ulti-level Single-phase Active Power Filter

XIA Yankun
（SchoolofElectricalEngineeringand Electric Information，Xihua University，Chengdu 610039，China）

Recently，cascade converters aremorewidely used in high-voltage high-power fields.In this paper，an ac⁃tive power filter（APF）of cascademulti-level phase-shiftsingle-phase voltage type is studied.At first，the inter-module carrier phase-shift control principle is analyzed.Then，a DC capacitor voltage balance controlmethod is proposed.At last，a simulationmodel is built in Matlab platform.Simulation results show that the proposed cascade filter can effec⁃tively control theharmonic currents caused by load，and ensure the stable DC-side voltageofeachmodule.

cascade phase-shift；active power filter（APF）；harmonic；capacitance voltagebalance；multi-level

TM721

A

1003-8930（2017）03-0079-04

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.013

夏焰坤（1984—），男，博士，讲师，研究方向为电力系统分析和电能质量分析与控制。Email：yankunjtdx@126.com

2016-05-24；

2016-11-01

西华大学重点科研基金项目（Z1520909）；四川省教育厅项目（16ZB0159）；四川省电力电子节能技术与装备重点实验室开放课题项目（szjj2015-068）