一种无变压器耦合的单相串联型有源电压治理装置研发

蔡长虹，江启芬

（扬州华鼎电器有限公司，江苏扬州225127）

1 引言

随着电力电子等开关电器的大量使用，其所造成的电网电压的过压欠压、电压暂降及谐波［1－3］等电压质量问题日趋严重，这些问题导致了一些重要的负载或对电能质量敏感的设备的性能降低、故障增多或寿命缩短。为直接有效地解决这一问题，在电网和敏感负荷之间加装一串联型有源电压质量治理装置［4－6］，即在供电电源和负荷之间连接一可控电压源，通过向电网注入补偿电压来保证用户端的电压质量。该方法由于使用的是串联装置，仅需要补偿系统电压的畸变和与额定值相差的部分，补偿的能量仍旧直接来自电网并提供给负载，所以通常它们具有更高的效率。

大多数串联交流电压质量治理装置的主电路部分都采用两电平结构［4］，使用变压器与电网进行耦合或隔离，这种两电平结构中的变压器，其非线性的特点会导致磁饱和现象的出现，增加装置的损耗并且存在体积大、成本高等问题。

针对上面两电平有耦合变压器的串联交流电压质量治理装置所存在的问题，本文在主电路设计上采用了无耦合变压器的两电平半桥逆变器拓扑结构，较之其他两电平结构具有开关器件少且桥臂之间不存在耦合等优点，即能实现各种电网电压质量问题的治理，并且这种无耦合变压器治理装置具有补偿性能好、体积小、重量轻和成本低等特点。

在控制系统化设计方面，本文采用了基于DSP和FPGA的纯数字化控制方案，其中FPGA主要负责数据的实时采集与计算处理、系统状态反馈、故障保护处理、控制环的实现、脉冲信号产生等；DSP主要负责通信及谐波电压分析检测。这种方案将DSP的高速运算及高效通讯能力与FPGA的高效并行处理能力相结合，使得系统运算速度快、结构灵活、适用性强。在控制算法方面，本文提出了一种融入重复控制、有源阻尼等控制方法，获得了很好的补偿效果。最后通过所研制的7.5kVA设备样机对以上设计方案进行了验证，结果证明了本文所设计的拓扑及控制策略正确有效。

2 单相串联型交流电压质量治理装置的结构及工作原理

针对有耦合变压器的两电平结构所存在的问题，本文设计了如图1所示的采用两电平半桥无耦合变压器结构的单相串联型交流电压质量治理装置的主电路拓扑。

图1 无耦合变压器的单相两电平半桥结构电压质量治理装置主电路结构图

电路总体与两电平结构相仿，也是由整流单元（V1，V2）、直流侧储能（C1，C2）、逆变单元（V3，V4）和输出滤波单元（L，C）组成。由于减少了主电路开关管的数量，一方面省去了相应的驱动电路，同时也减少了成本，这种半桥逆变器结构总体上仅需要4只开关管，相比单相桥结构的电压治理装置具有更低的装置成本和更小的体积。单相桥臂结构为了实现解耦，需要控制公共桥臂电压，并以公共桥臂电压为基础进一步控制串联部分和并联部分的逆变电压输出。而半桥结构的串联部分和并联部分不存在耦合，便于控制器的设计。该拓扑是在电源与负载之间串入一个补偿电压，来抵消电网电压的波动，属于部分补偿，相比于并联模式的全补偿结构，其损耗小、效率高。

电源电压正常时，设备工作于备用状态，若低于或高于负载所需电压时，通过旁路开关K使设备工作在运行状态，经过系统控制策略由控制电路产生相应的补偿指令。由PWM调制电路产生PWM信号，利用驱动电路去控制变流器的功率开关器件，使变流器输出与指令信号一致的电压波形。利用LC滤波器滤除输出电压中的高频开关纹波，滤波后的补偿电压叠加到电网电压，抵消电网电压的扰动，提高用户端的供电电能质量，使负载得到期望的供电电压［7］。

将电网供电电源等效为一个基波电压源Us与谐波电压源Uh之和，负载等效为一个阻抗ZL，负载电压和电压治理装置等效为一个受控电压源Uc，可得到单相无耦合变压器三电平半桥电压补偿结构的等效电路如图2所示。

图2 单相无耦合变压器三电平半桥电压补偿等效电路图

3 单相串联交流电压治理补偿控制策略

本文中的电压补偿装置主要以偏远地区农户为主，负载多以阻性负载为主，所以采用了同相补偿模式。同相补偿是指装置的补偿电压与跌落时的电网电压同相。实现同相补偿的方法是：锁相环与电网电压同步，参考电压的相角是锁相环所锁住的电网的相角，幅值是跌落前的负载的电压，其原理图如图3所示。

图3 同相补偿向量图

3.1 数字化控制单元的实现

本文采用基于DSP和FPGA的双CPU结构的数字化控制方案，整体系统控制框图如图4所示。

图4所示的控制系统采用了两大数字核心模块即DSP和FPGA。DSP主要完成与触摸屏之间的通信握手，进行谐波电压分析检测，并通过数据交互缓冲区将设置参数及启动、停机、谐波电压等指令信号发送到FPGA，并将FPGA回传的状态等数据上传到触摸屏进行实时监测。FPGA提供采样频率给ADC芯片，ADC接收到FPGA提供的采样频率对并联和串联侧电压、电流进行采样、转换并送入FPGA进行控制，FPGA通过DSP得到设置参数和基准正弦信号得到正弦电压指令，以正弦数组的形式存放其内部，经过控制环将得到的调制信号送入波形发生模块与FPGA内部产生的三角波进行比较得到功率开关器件的驱动信号。其中，并联、串联侧均采用电压、电流双闭环控制，串联侧电压环采用重复控制来实现输出电压的无差跟踪。

图4 基于DSP和FPGA的双CPU控制框图

3.2 采用重复控制器原理实现的电压补偿控制算法

重复控制［8］是基于内膜原理的一种控制算法，能够以较简单的结构实现多次谐波的抑制，易于数字控制的实现。重复控制器主要包含重复信号发生器、周期延时单元Z－N和针对控制对象设计的补偿器C（z），其控制框图如图5所示。

图5 重复控制结构框图

重复控制实现的关键部分是其中的重复信号发生器，即反馈环节通过包含上一周期的信号来实现内膜功能，周期延时单元Z－N作为实现超前补偿的重要环节，使得本周期的误差在下个周期产生影响，即延迟了一个周期从而获得了超前性。针对控制对象设计的补偿器C（z）为控制对象Gp（z）提供幅值和相位补偿，图6为重复控制在FPGA中的实现流程。

图6 重复控制在FPGA中的实现

重复控制的实现主要是利用FPGA的RAM将误差数据存储起来，实现重复控制内膜，再通过相位补偿、幅值调整及二阶低通滤波器来得到输出，从而实现重复控制。

在本设计中，涉及到的主要控制对象是单相无耦合变压器两电平半桥电压补偿装置中并联侧整流控制部分及串联侧逆变控制两个部分［9］。

并联侧整流器控制方式如图7所示，采用母线电压外环控制加电感电流内环控制，双闭环结合的控制方式，这样的双闭环控制方式可使跟踪的交流信号无静差，达到最好的控制效果。其中，直流侧电压通过PI控制器对两个电容电压和值与给定直流母线电压值进行控制，以达到既控制电容电压跟踪电压参考值，电感电流环采用重复控制。

图7 并联整流侧电压电流双闭环控制框图

系统的并联侧采用LCL滤波。LCL型滤波器为并网逆变器系统引入一对谐振极点，其阻尼比为零且振荡频率较高，影响系统的稳定性，因此，为了抑制LCL滤波器的谐振峰，对于入网侧一般可以考虑增加阻尼电阻或者采用有源阻尼算法有效抑制LCL滤波器的谐振，这有利于控制系统的稳定性。但是阻尼电阻的增加可能会影响谐波的滤波性能，也会增加系统损耗，降低系统效率。而有源阻尼［10］控制只是通过算法增加系统阻尼，没有附加阻尼电阻，因此没有增加系统的损耗，这提高了系统效率。有源阻尼实现方法中电容电流反馈有源阻尼，实现简便，物理意义清晰，应用广泛。

当电网电压畸变或不对称比较剧烈时，不仅会影响有源电力滤波器直流侧电压的稳定，甚至还会造成直流侧过压，影响串联侧正常工作。通过加入电网电压前馈［6］可使并联侧电流不受电网电压畸变的影响，从而可保证直流母线电压的稳定性，且串联侧能正常逆变输出。

图8 串联逆变侧电压电流双闭环控制框图

串联侧逆变器控制方式如图8所示，采用输出电压外环电感电流内环的双闭环控制系统。针对可能存在周期性扰动的负载，电压外环采用重复控制，可以有效地抑制电压畸变并且能够快速跟踪给定电压，电流环采用P控制器，此外，为了抵抗非线性负载的影响，还引入了负载电流前馈io。图中，Uoref为串联输出电压的给定指令，Uo为输出电压采样，Kv为交流输出电压调节器，Kc为交流输出电流调节器。交流输出电流调节器的输出信号通过惯性环节延时后在拓扑上输出，与电容电压作差形成电感电压，电感两端电压通过等效电抗形成流过电感的电流，电感电流与负载电流之和为电容电流，与电容的容抗形成电容两端的输出电压。

4 实验结果及分析

研制了7.5kVA设备并进行了实验验证。设备样机如图9所示，其主要参数见表1。

图 9 7.5kVA 样机

表1 主要参数表

图10为电网电压跌至130V补偿到220V的实验波形，图11为满载、空载切换实验波形，图12为电网电压突变实验波形。图中，CH1为电网电压，CH2为负载电流，CH3为负载电压，设备串在电网与负载之间。当电网电压过低时，设备输出与电网电压同频同相的补偿电压叠加到电网电压上，将负载侧电压补偿到220V；在满载、空载切换及电网电压突变时，负载电压能够快速响应。

图10 低压补偿实验波形

图11 低压补偿满载、空载切换实验波形

图12 电网电压突变实验波形

图13为电网电压升至280V补偿到220V的实验波形，图中CH1为电网电压，CH2为负载电流，CH3为负载电压，设备串在电网与负载之间。当电网电压过高时，设备输出与电网电压相位相反的补偿电压叠加到电网电压上，将负载侧电压补偿到220V。

图13 高压补偿实验波形

图14为含有谐波的电网电压进行补偿的实验波形，图中CH4为电网电压，CH1为补偿后的负载电压，补偿前的电网电压THD为10%，补偿后的负载电压THD为1.85%。

图14 谐波补偿实验波形

5 结束语

对于低压系统中电网存在的过压、欠压、谐波等电压质量问题，本文采用单相无耦合变压器两电平半桥电压治理补偿装置，通过DSP和FPGA双CPU的全数字控制方法，对电路原理及控制方法进行分析、仿真和实验验证。在7.5kVA的设备上，分别验证了电网在低压、高压及存在谐波的情况下，串联电压补偿装置都能很好地对电网电压进行补偿，保证了负载端用电设备的正常运行。在电网电压发生突变时，设备能够快速响应并跟踪，且可以将15%的谐波电压补偿至3%以内，实验结果验证了该治理装置在治理电网电压质量问题方面的可行性和有效性。