级联H桥结构谐波与无功发生器设计

级联H桥结构谐波与无功发生器设计
谢珍贵
【摘要】电网谐波治理和无功补偿技术是电力系统中的关键技术,也是伴随着新能源电力电子产品具有高渗透性投入后需要着重考虑的一项技术.文中主要针对谐波治理和无功补偿问题,采用一种基于级联H桥结构的变换器,可以将谐波治理和无功补偿功能集中设计,既可以实现无功电流的控制,又可以产生目标次谐波,通过PSCAD/EMTDC仿真,其结果与设定值或理论值吻合,仿真研究工作证实了该设计在理论上的可行性.
【期刊名称】《电测与仪表》
【年(卷),期】2018(055)014
【总页数】5页(P113-116,136)
【关键词】谐波治理;无功补偿;级联H桥;PSCAD/EMTDC
【作者】谢珍贵
【作者单位】福建水利电力职业技术学院,福建永安366000
【正文语种】中文
【中图分类】TM933
0 引言
电力电子系统化已经成为一种电力趋势，越来越多的工业控制领域中采用了电力电子器件，甚至是新能源领域的核心控制设备也是由电力电子装置构成。

这些电力电
子器件大量投入到电力系统中，给电力系统带来了许多问题，问题之一就是这些电力电子器件的投入本质上就是一个谐波源，并且使得系统高度非线性化。

随着人们对电能质量越来越高的要求，并且电力电子器件的大量投入系统，原始的电力系统已经发生了深刻改变，对用电设备甚至整个系统都产生了严重危害和影响[1]。

依据目前的技术水平，通过查阅大量国内外文献，针对谐波治理和无功补偿
问题，最有效的方法还是通过可控的电力电子器件去解决这些问题。

目前，电力电子器件以GTO、BJT和IGBT为全控性代表，不断向高频、大容量的方向发展，特别是以这些器件为基础的无功补偿装置、电力有源滤波器装置得到了长足的发展。

以电力有源滤波器为例，采用电力电子器件构成的滤波器比LC滤波器性能更好。

因此，文章就并联型有源电力滤波器进行了设计和研究。

1 有源电力滤波器简介
采用全控型器件构成的有源电力滤波器，如图1所示，该电路主要由三部分组成：系统电源、有源滤波器和谐波源三部分[2-3]。

其中非线性负载部分及产生谐波，
也消耗无功，必须进行谐波消除和无功补偿。

图中的有源电力滤波器由两部分组成：一部分是进行指令电流的计算环节；另一部分是指令电流的生成环节[4]。

在电力电子电路中，电感和电容元件都是储能元件，因此在电路中均可充当直流源的作用，电感充当电流源，电容充当电压源。

两种元件为开关电路提供条件，因此，有源电力滤波器按照储能元件作用方式的不同，其可分为电压型和电流型两种。

图1 有源电力滤波器的基本原理图Fig.1 Basic schematic diagram of active power filter
电压型有源滤波器的机理是根据检测电压信号的大小，转换为PWM脉冲，通过
作用在电力电子器件上输出电压，该电压经过连接电抗形成补偿电流的过程；电流型有源滤波器其储能元件是电感，该类型的电力滤波器相比于电压型有源滤波器，不会由于开关器件的直通出现短路故障，但是该电路的大电感内部将损耗大量能量，
因此电压型电力有源滤波器得到了广泛应用[5]。

2 级联H桥变换器的结构分析
2.1 级联H桥变换器的结构分析
级联H桥变换器内部主要是有源滤波器功能，但是也可以实现无功发生器的功能。

该变换器的核心环节是对无功电流和谐波电流的检测过程，因此，谐波电流和无功电流的检测是进行谐波治理和无功补偿的基础[6]。

根据指令电流的计算结果，转
化为开关信号作用于级联H桥上，产生相应大小的补偿电流，就实现了对负载无
功消耗和谐波的补偿过程。

图1中，有源滤波器的检测和驱动电路主要是对指令电流的计算过程，根据中iLa、iLb、iLc无功电流和谐波电流的大小，通过检测计算环节，得到大小相同、相位相差180°的指令电流，并且将该指令电流信号通过PWM波方式作用于级联H桥电路中，产生补偿电流ica、icb、icc，这样就使得两者电流相互抵消，基本电流中
不含有无功电流和谐波电流分量，这样就达到了谐波治理也无功补偿的目标[7-8]。

2.2 级联H桥变换器的主电路设计
如图1所示，主电路的工作原理：补偿电流ica、icb、icc是由主电路中直流侧电容电压与交流侧电源电压的差值作用于电感上产生的。

主电路的工作情况是由主电路中级联H桥开关器件的通断组合所决定的。

通常，加入电力滤波装置后，补偿
点的三相电压、电流是对称的。

因此，假设：
eca+ecb+ecc=0
(1)
ica+icb+icc=0
(2)
并且按照图1的电路结构，级联H桥输出的直流电压为Udc，可得回路微分方程
如下：
(3)
(4)
(5)
式中 kaVdc、kbVdc、kcVdc为级联H桥的输出电压。

虽然H桥并联电容的方向是一致的，用直流量Vdc表示，但是由于开关导通状态及电流方向的改变，级联H桥输出电压不呈现直流性质。

ka+kb+kc=0
(6)
式中 ka、kb、kc为三相级联H桥的开关系数。

将式(3)～式(5)中电压电流进行解耦控制，因此首先将三相静止坐标系变换到两相静止坐标系，这样就出现了α和β坐标系，得到α和β坐标系数学模型：
(7)
再将式(7)在d和q坐标系下进行变换，经过Park变换之后可得到dq坐标系下的数学模型：
(8)
具体向量变换关系如图2所示。

图2 Park变换向量关系Fig.2 Park transformation vector
3 级联H桥变换器控制策略
直接电流控制采用了电流内环与功率外环的控制方式，因此也被称为双闭环控制法
[9-10]。

双闭环控制框图如图3所示。

外环分为d轴分量和q轴分量：d轴用于
控制交流系统有功功率和直流侧电压；q轴用于控制无功功率和交流侧电压。

内环用于保证逆变器的输出交流电流能够跟踪外环控制输出电流指令，输出逆变器电压参考波，由PWM实现开关控制。

假设外环以有功功率和无功功率为控制目标，
则Ap和Aq分别就是测量所得计算值Pac和Qac，形成了外环的反馈环节。

图3 控制方法框图Fig.3 Block diagram of control method
在搭建双闭环控制模型时，主要根据级联H桥有源滤波器的数学模型。

按照式(8)，假设变换器输出电压的d轴和q轴分量分别为Vd，Vq：
(9)
(10)
并且：
(11)
将式(11)中a相进行拉普拉斯变换即得：
sLIa(s)=Va(s)-RIa(s)-Ea(s)
(12)
忽略三相H桥之间的差异性，则：
(13)
得到控制框结构图如图4所示。

图4 控制结构图Fig.4 Control structure diagram
图3是级联H桥变换器整个双环控制结构图，图4重点针对内环控制器给出阐述，
内环主要用于保证逆变器的输出交流电流能够跟踪外环控制输出电流指令，输出逆变器电压参考波，由PWM实现开关控制。

输入量Vsd和Vsq主要是根据指令电流经过PI控制后对应的电压量值，经过内环解耦控制，形成级联H桥输出电压的过程。

4 级联H桥变换器的仿真分析
按照图1所示的电路结构，首先对非线性负载环节进行设计，采用PSCAD软件进行仿真，将级联H桥变换器按照负载性质设计为多次谐波源和无功发生源[11-12]，模型简图如图5所示，图6为级联H桥变换器内部结构。

图5 谐波与无功源模型Fig.5 Harmonic and reactive source model
图6 模型电路图Fig.6 Model circuit diagram
图6该类型的变换器可以实现有源滤波器的功能，也可以实现无功发生器的功能，可以根据输出电压、电流的等级选择H桥级联数目，在图6中，选择两个级联H
桥进行试验，形成5电平结构。

(1)当负载表现为3次谐波性质时，可以通过对级联桥变换器的输入指令进行设置，可以得到相应的输出电流的次数以及幅值大小，如图7、图8所示。

图7 输入电压/输出电流波形一Fig.7 Waveform 1 of input voltage/output current
图8 A相电流FFT分析Fig.8 A phase current FFT analysis
(2)级联H桥变换器输出为13次谐波时，得到相应结果如图9所示。

图9 输入电压/输出电流波形二Fig.9 Waveform 2 of input voltage/output current
(3)当负载表现为无功源性质时，可以设置级联H桥变换器发出无功功率，如图10、图11所示。

图10 调制波与逆变电压波形Fig.10 Modulated wave and inverter voltage
waveform
图11 电压电流比对波形Fig.11 Comparison of voltage and current waveform 通过图7、图9可以看出，级联H桥变换器可以按照设置发出目标次谐波，并且
目标次谐波幅值可以按照要求进行设置，可实现谐波发生器的功能。

通过图11波形可以看出，在指定时刻投入无功发生器功能后，电流超前电压90°，可实现无功发生器的功能[13-14]。

5 结束语
以级联H桥变换器为研究目标，通过实现谐波源的发生过程和无功源的发生过程，验证了该结构可以实现谐波与无功的统一调节[15]。

由于谐波消除与无功补偿的机理均是采用抵消原则，因此，文章通过PSCAD/EMTDC软件设计了谐波源和无功源，通过试验结果验证了该方法在理论上的可行性。

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