级联H桥APF软启动方式的研究

汪玉凤，段本涛，冯 颖

（1.辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，葫芦岛125105；2.国网辽宁省电力有限公司铁岭供电公司，铁岭 112000）

有源滤波器APF（active power filter）是动态抑制谐波和补偿无功的一种装置，可以有效改善电力系统的电能质量[1-2]。APF投入电网后，由于IGBT有反向并联二极管，此时会进行整流。因为两电平APF与级联多电平APF的拓扑结构不同，所以其整流充电效果不同，在此过程中，会有电压的剧烈变化，而交流滤波电感很小，如果不对电流有所限制会出现很大的冲击电流，可能会烧毁IGBT与直流侧电容。另外，在整流阶段级联APF的电容电压要比两电平APF距离实际设定值变差大，若是依靠与交流侧交换能量达到实际设定值，仍会产生较大的冲击电流。因此APF投入需要进行软启动，以便抑制冲击电流和直流电容电压波动对APF器件的影响。目前研究的APF软启动方法，多应用于两电平的APF[3-6],文献[7]提出一种电压外环与电流内环的双环软启动控制策略；文献[8]采用自调整因子的模糊控制规则设计了直流侧电容电压的模糊软启动控制器，具有精度高、鲁棒性强的特点；文献[9]针对APF冲击电流和电压的问题提出一种改进型PI控制策略，软启动效果较好；文献[10]针对400 Hz航空电网，为避免级联单元间直流侧电容电压不均衡，提出了一种新颖的均压控制策略。但是，针对多电平APF出现的电压冲击问题研究的还较少。

本文针对级联H桥APF的电压冲击问题，在两电平APF软启动方法的基础上[11]，提出级联多电平APF软启动的方法。在不改变原有级联拓扑结构的前提下，提出采用预充电、升压充电、切除充电电阻3个阶段的软启动方式，并详细分析了软启动过程中电容电压上升的原因。最后对级联APF软启动的方法进行仿真及实验验证，验证了所提软启动方法的有效性。

1 级联APF拓扑结构

级联H桥APF基本拓扑如图1所示。

级联H桥采用三相星形接法，每相由N个H桥级联组成，N取决于SAPF的容量、电网电压等因素，各H桥直流侧电容独立与不影响。开关器件选用大功率电子器件绝缘栅双极晶体管。图中：Usk（k=a，b，c，下同）为三相电网侧电压；isk为电网侧电流；iLk为负载侧电流；iCk为级联逆变器输出的补偿电流；Vkdci（i=1，2，…，N）为 H 桥直流侧电容电压。

由图1可知，级联APF的拓扑结构远比两电平APF拓扑结构复杂，传统用于两电平APF的启动方式并不能满足级联APF的启动。

图1 级联H桥多电平SAPF拓扑结构Fig.1 Multi-level topology of cascade H-bridge SAPF

2 级联APF软启动方式的研究

级联多电平APF与两电平APF相同，原始的整流电路不足以达到补偿的电压等级要求，也需要对其进行升压，之后用控制算法将其稳定。在现有文献中，少有文献提及级联多电平的软启动，其拓扑结构比两电平APF更复杂，使得其软启动过程更复杂。本文所研究的级联SAPF启动方式与两电平APF启动过程相同，由预充电阶段、升压充电阶段、切除充电电阻3个阶段组成。

2.1 预充电阶段

以A相为例，级联多电平APF在整流充电阶段单相等效电路，如图2所示，电网电压ea，滤波电感L，充电电阻R，开关管V反向并联二极管VD，直流电容C，等效电压Uon，此处Uon为级联APF星形接法的公共节点与电网公共节点的电压差，在预充电过程中Uon为一交流电压，在与A相电网电压叠加后仍是交流电，为了便于分析，将叠加后的电压等效为标准正弦电压Us。

在Us正半周期，当电压大于2nUD即2n个二极管导通电压时，每个H桥单元的VD1、VD4导通，每个H桥单元的电阻分压为（Us-2nUD）/n，在Us负半周期时，与正半周期类似，其中VD2与VD3导通。每个H桥单元的电阻分压仍为（Us-2nUD）/n，由于二极管导通压降电压较小，在理想状态下可以忽略，于是得出平均电压的表达式为

在实际电容充电过程中，电容电压将稳定在电压的峰值，即每个H桥单元电容整流阶段的电压为。

图2 单相等效电路Fig.2 Single-phase equivalent circuit

如前文所述Uon为级联APF星形接法的公共节点与电网公共节点的电压差，在整流过程中Uon为交流电压，由于ABC三相的相位不同，与Uon叠加后的等效电压也会不相同，导致在整流充电阶段出现电容电压充电不平衡的情况。

2.2 升压充电阶段

级联APF其复杂的结构决定了不能用简单的boost升压电路将电容电压升高。为了不改变原有的拓扑结构，实现级联APF的电容充电，本文将级联拓扑的开关管进行控制，将图2所示的各H桥单元V4开关管打开，此时V3开关管不再起作用，其简化拓扑结构如图3所示。

图3中n个电容的串联，可以等效为一个电容控制各H桥单元V2同时开通和关断。Uon为电网等效中点和直流侧N端之间的等效电位差,设初始状态为，此时直流电容电压为，在各 V2开关管导通时，Uon=－ea－uL，在各 V2开关管关断时ea－uL－uD，其中 uL、uD分别为电感电压与二极管压降电压。设V2的开通时间为ton，断开时间为toff，故周期T可表示成

设V2开通此阶段交流滤波电感La上存储的能量为（Uon+ea）iaton，此时各个 H 桥单元的 VD1均无作用；当V2处于断态时，断开的开关管V2相当于大电阻，与除第1个H桥的其余各个H桥的断开的V1构成回路，此时VD1中流过较小的电流释放一部分电容电压能量，使各个电容的电压略有下降，但影响并不是很大。此阶段交流滤波电感上释放的能量为（Ud－Uon－ea）iatoff。当电路工作于稳态时，一个周期 T中交流滤波电感La存储与释放的能量相等,即

图3 级联等效升压电路Fig.3 Cascaded equivalent boost circuit

但在实际应用时，如果给定脉冲宽度的占空比过小，其整个升压充电过程会很慢。当达到要求值时APF的响应时间过长，所以一般采用大占空比，通过定时，控制脉冲数的方式对APF的直流电压进行充电。

由于各相等效的电压不同，所以要求在各相充电时PWM脉宽各不相同，以达到最好的充电效果。

2.3 切除充电电阻阶段

现有文献中，APF软启动时在预充电结束后就将充电电阻切除[10]，但在实际实验中发现，采用上述方式切除电阻容易烧毁IGBT，为保证级联APF的安全，所以本文所研究的级联APF软启动中切除充电电阻应该在升压充电结束后、APF工作之前。在级联SAPF软启动过程中升压充电阶段电容串联，在充电阶段充电电流经过每个电容，所以整个充电过程只需一个充电限流电阻。

3 仿真与实验

在不改变原有拓扑结构的基础上，搭建级联H桥7电平APF的Matlab仿真模型，验证所提软启动方法的可行性。仿真结果对比了使用软启动时电容电压充电波形和直接使用电容电压平衡控制算法对APF进行充电的波形。仿真结果如图4、图5所示。图4为传统算法对APF充电的电容电压波形，图5为使用软启动方式对APF充电的电容电压波形图。

对比图4、图5可知，由电容电压平衡控制算法对直流侧电容进行充电会造成较大的电压波动，相内、相间电容电压都会造成不同程度的电压不平衡；软启动方式对直流侧电容进行充电，根据不同相对电容电压进行充电，级联APF在整流充电阶段因为最后等效电压差接近于0，各相对电容充电达到饱和，电容电压达到设定值，虽然需要一定的充电时间，但最后会接近一致，不会造成过大相间电容电压不平衡，而且不会造成相内电容电压的不平衡。

图4 传统算法充电电容电压波形Fig.4 Waveform of charging capacitor voltage using the traditional algorithm

图5 软启动方式电容电压波形Fig.5 Waveform of capacitor voltage in soft-start mode

为进一步验证本文所提级联APF软启动方式的正确性，搭建了级联7电平SAPF实验样机，样机参数如下：电网电压380 V、50 Hz；经三相整流接阻感负载 10 Ω、5 mH、1 000 W；IGBT 参数为 1 700 V、100 A；选用落木源IGBT集成驱动模块；直流侧电容为450 V、2 200 μF；APF输出端滤波电抗器为1 mH；直流侧单电容电压为235 V；样机采用控制器为TMS320LF2812型DSP和EP4CE 15F17C8型FPGA。系统采样频率9.6 kHz。IGBT的开关频率为9.6 kHz。最后所得的软启动充电A相电容电压之和的波形如图6所示，A相两H桥单相电容电压波形如图7所示。

由图6、图7可知采用软启动方式对直流侧电容电压进行充电，充电过程平稳，不会对APF造成冲击，相内电容电压在软启动过程中几乎不存在电容电压不平衡。实验结果与仿真结果是一致的，证明了本文所提出的的软启动方式的正确性与可行性。

图6 A相电容电压之和Fig.6 Sum of A-phase capacitor voltages

图7 A相两H桥单相电容电压Fig.7 A-phase capacitor voltage of two single-phase H-bridges

4 结语

本文针对级联APF在启动过程中存在电压冲击的问题，提出一种适用于级联APF的软启动方法，详细地论述了电容电压上升的原因，最后对所提出的软启动方式进行了仿真与实验。比较了采用电容电压平衡控制对电容电压充电的方式与软启动方式的充电波形，结果表明，软启动方式可以将电容电压有效充电至设定值，不会造成过大的相间电容电压不平衡，也不会造成相内电容电压不平衡，有效解决了级联APF启动过程中对APF造成的冲击问题。对工程应用具有一定的借鉴价值。