汪玉鳳，段本濤，馮 穎

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島125105；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司鐵嶺供電公司，鐵嶺 112000）

有源濾波器APF（active power filter）是動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的一種裝置，可以有效改善電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量[1-2]。APF投入電網(wǎng)后，由于IGBT有反向并聯(lián)二極管，此時(shí)會(huì)進(jìn)行整流。因?yàn)閮呻娖紸PF與級(jí)聯(lián)多電平APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，所以其整流充電效果不同，在此過(guò)程中，會(huì)有電壓的劇烈變化，而交流濾波電感很小，如果不對(duì)電流有所限制會(huì)出現(xiàn)很大的沖擊電流，可能會(huì)燒毀IGBT與直流側(cè)電容。另外，在整流階段級(jí)聯(lián)APF的電容電壓要比兩電平APF距離實(shí)際設(shè)定值變差大，若是依靠與交流側(cè)交換能量達(dá)到實(shí)際設(shè)定值，仍會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流。因此APF投入需要進(jìn)行軟啟動(dòng)，以便抑制沖擊電流和直流電容電壓波動(dòng)對(duì)APF器件的影響。目前研究的APF軟啟動(dòng)方法，多應(yīng)用于兩電平的APF[3-6],文獻(xiàn)[7]提出一種電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)軟啟動(dòng)控制策略；文獻(xiàn)[8]采用自調(diào)整因子的模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)了直流側(cè)電容電壓的模糊軟啟動(dòng)控制器，具有精度高、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)；文獻(xiàn)[9]針對(duì)APF沖擊電流和電壓的問(wèn)題提出一種改進(jìn)型PI控制策略，軟啟動(dòng)效果較好；文獻(xiàn)[10]針對(duì)400 Hz航空電網(wǎng)，為避免級(jí)聯(lián)單元間直流側(cè)電容電壓不均衡，提出了一種新穎的均壓控制策略。但是，針對(duì)多電平APF出現(xiàn)的電壓沖擊問(wèn)題研究的還較少。

本文針對(duì)級(jí)聯(lián)H橋APF的電壓沖擊問(wèn)題，在兩電平APF軟啟動(dòng)方法的基礎(chǔ)上[11]，提出級(jí)聯(lián)多電平APF軟啟動(dòng)的方法。在不改變?cè)屑?jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的前提下，提出采用預(yù)充電、升壓充電、切除充電電阻3個(gè)階段的軟啟動(dòng)方式，并詳細(xì)分析了軟啟動(dòng)過(guò)程中電容電壓上升的原因。最后對(duì)級(jí)聯(lián)APF軟啟動(dòng)的方法進(jìn)行仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了所提軟啟動(dòng)方法的有效性。

1 級(jí)聯(lián)APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

級(jí)聯(lián)H橋APF基本拓?fù)淙鐖D1所示。

級(jí)聯(lián)H橋采用三相星形接法，每相由N個(gè)H橋級(jí)聯(lián)組成，N取決于SAPF的容量、電網(wǎng)電壓等因素，各H橋直流側(cè)電容獨(dú)立與不影響。開(kāi)關(guān)器件選用大功率電子器件絕緣柵雙極晶體管。圖中：Usk（k=a，b，c，下同）為三相電網(wǎng)側(cè)電壓；isk為電網(wǎng)側(cè)電流；iLk為負(fù)載側(cè)電流；iCk為級(jí)聯(lián)逆變器輸出的補(bǔ)償電流；Vkdci（i=1，2，…，N）為 H 橋直流側(cè)電容電壓。

由圖1可知，級(jí)聯(lián)APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比兩電平APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)用于兩電平APF的啟動(dòng)方式并不能滿(mǎn)足級(jí)聯(lián)APF的啟動(dòng)。

圖1 級(jí)聯(lián)H橋多電平SAPF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Multi-level topology of cascade H-bridge SAPF

2 級(jí)聯(lián)APF軟啟動(dòng)方式的研究

級(jí)聯(lián)多電平APF與兩電平APF相同，原始的整流電路不足以達(dá)到補(bǔ)償?shù)碾妷旱燃?jí)要求，也需要對(duì)其進(jìn)行升壓，之后用控制算法將其穩(wěn)定。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，少有文獻(xiàn)提及級(jí)聯(lián)多電平的軟啟動(dòng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比兩電平APF更復(fù)雜，使得其軟啟動(dòng)過(guò)程更復(fù)雜。本文所研究的級(jí)聯(lián)SAPF啟動(dòng)方式與兩電平APF啟動(dòng)過(guò)程相同，由預(yù)充電階段、升壓充電階段、切除充電電阻3個(gè)階段組成。

2.1 預(yù)充電階段

以A相為例，級(jí)聯(lián)多電平APF在整流充電階段單相等效電路，如圖2所示，電網(wǎng)電壓ea，濾波電感L，充電電阻R，開(kāi)關(guān)管V反向并聯(lián)二極管VD，直流電容C，等效電壓Uon，此處Uon為級(jí)聯(lián)APF星形接法的公共節(jié)點(diǎn)與電網(wǎng)公共節(jié)點(diǎn)的電壓差，在預(yù)充電過(guò)程中Uon為一交流電壓，在與A相電網(wǎng)電壓疊加后仍是交流電，為了便于分析，將疊加后的電壓等效為標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓Us。

在Us正半周期，當(dāng)電壓大于2nUD即2n個(gè)二極管導(dǎo)通電壓時(shí)，每個(gè)H橋單元的VD1、VD4導(dǎo)通，每個(gè)H橋單元的電阻分壓為（Us-2nUD）/n，在Us負(fù)半周期時(shí)，與正半周期類(lèi)似，其中VD2與VD3導(dǎo)通。每個(gè)H橋單元的電阻分壓仍為（Us-2nUD）/n，由于二極管導(dǎo)通壓降電壓較小，在理想狀態(tài)下可以忽略，于是得出平均電壓的表達(dá)式為

在實(shí)際電容充電過(guò)程中，電容電壓將穩(wěn)定在電壓的峰值，即每個(gè)H橋單元電容整流階段的電壓為。

圖2 單相等效電路Fig.2 Single-phase equivalent circuit

如前文所述Uon為級(jí)聯(lián)APF星形接法的公共節(jié)點(diǎn)與電網(wǎng)公共節(jié)點(diǎn)的電壓差，在整流過(guò)程中Uon為交流電壓，由于ABC三相的相位不同，與Uon疊加后的等效電壓也會(huì)不相同，導(dǎo)致在整流充電階段出現(xiàn)電容電壓充電不平衡的情況。

2.2 升壓充電階段

級(jí)聯(lián)APF其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)決定了不能用簡(jiǎn)單的boost升壓電路將電容電壓升高。為了不改變?cè)械耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)APF的電容充電，本文將級(jí)聯(lián)拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)管進(jìn)行控制，將圖2所示的各H橋單元V4開(kāi)關(guān)管打開(kāi)，此時(shí)V3開(kāi)關(guān)管不再起作用，其簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中n個(gè)電容的串聯(lián)，可以等效為一個(gè)電容控制各H橋單元V2同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷。Uon為電網(wǎng)等效中點(diǎn)和直流側(cè)N端之間的等效電位差,設(shè)初始狀態(tài)為，此時(shí)直流電容電壓為，在各 V2開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，Uon=－ea－uL，在各 V2開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)ea－uL－uD，其中 uL、uD分別為電感電壓與二極管壓降電壓。設(shè)V2的開(kāi)通時(shí)間為ton，斷開(kāi)時(shí)間為toff，故周期T可表示成

設(shè)V2開(kāi)通此階段交流濾波電感La上存儲(chǔ)的能量為（Uon+ea）iaton，此時(shí)各個(gè) H 橋單元的 VD1均無(wú)作用；當(dāng)V2處于斷態(tài)時(shí)，斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)管V2相當(dāng)于大電阻，與除第1個(gè)H橋的其余各個(gè)H橋的斷開(kāi)的V1構(gòu)成回路，此時(shí)VD1中流過(guò)較小的電流釋放一部分電容電壓能量，使各個(gè)電容的電壓略有下降，但影響并不是很大。此階段交流濾波電感上釋放的能量為（Ud－Uon－ea）iatoff。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期 T中交流濾波電感La存儲(chǔ)與釋放的能量相等,即

圖3 級(jí)聯(lián)等效升壓電路Fig.3 Cascaded equivalent boost circuit

但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果給定脈沖寬度的占空比過(guò)小，其整個(gè)升壓充電過(guò)程會(huì)很慢。當(dāng)達(dá)到要求值時(shí)APF的響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，所以一般采用大占空比，通過(guò)定時(shí)，控制脈沖數(shù)的方式對(duì)APF的直流電壓進(jìn)行充電。

由于各相等效的電壓不同，所以要求在各相充電時(shí)PWM脈寬各不相同，以達(dá)到最好的充電效果。

2.3 切除充電電阻階段

現(xiàn)有文獻(xiàn)中，APF軟啟動(dòng)時(shí)在預(yù)充電結(jié)束后就將充電電阻切除[10]，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用上述方式切除電阻容易燒毀IGBT，為保證級(jí)聯(lián)APF的安全，所以本文所研究的級(jí)聯(lián)APF軟啟動(dòng)中切除充電電阻應(yīng)該在升壓充電結(jié)束后、APF工作之前。在級(jí)聯(lián)SAPF軟啟動(dòng)過(guò)程中升壓充電階段電容串聯(lián)，在充電階段充電電流經(jīng)過(guò)每個(gè)電容，所以整個(gè)充電過(guò)程只需一個(gè)充電限流電阻。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

在不改變?cè)型負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，搭建級(jí)聯(lián)H橋7電平APF的Matlab仿真模型，驗(yàn)證所提軟啟動(dòng)方法的可行性。仿真結(jié)果對(duì)比了使用軟啟動(dòng)時(shí)電容電壓充電波形和直接使用電容電壓平衡控制算法對(duì)APF進(jìn)行充電的波形。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4為傳統(tǒng)算法對(duì)APF充電的電容電壓波形，圖5為使用軟啟動(dòng)方式對(duì)APF充電的電容電壓波形圖。

對(duì)比圖4、圖5可知，由電容電壓平衡控制算法對(duì)直流側(cè)電容進(jìn)行充電會(huì)造成較大的電壓波動(dòng)，相內(nèi)、相間電容電壓都會(huì)造成不同程度的電壓不平衡；軟啟動(dòng)方式對(duì)直流側(cè)電容進(jìn)行充電，根據(jù)不同相對(duì)電容電壓進(jìn)行充電，級(jí)聯(lián)APF在整流充電階段因?yàn)樽詈蟮刃щ妷翰罱咏?，各相對(duì)電容充電達(dá)到飽和，電容電壓達(dá)到設(shè)定值，雖然需要一定的充電時(shí)間，但最后會(huì)接近一致，不會(huì)造成過(guò)大相間電容電壓不平衡，而且不會(huì)造成相內(nèi)電容電壓的不平衡。

圖4 傳統(tǒng)算法充電電容電壓波形Fig.4 Waveform of charging capacitor voltage using the traditional algorithm

圖5 軟啟動(dòng)方式電容電壓波形Fig.5 Waveform of capacitor voltage in soft-start mode

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提級(jí)聯(lián)APF軟啟動(dòng)方式的正確性，搭建了級(jí)聯(lián)7電平SAPF實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)參數(shù)如下：電網(wǎng)電壓380 V、50 Hz；經(jīng)三相整流接阻感負(fù)載 10 Ω、5 mH、1 000 W；IGBT 參數(shù)為 1 700 V、100 A；選用落木源IGBT集成驅(qū)動(dòng)模塊；直流側(cè)電容為450 V、2 200 μF；APF輸出端濾波電抗器為1 mH；直流側(cè)單電容電壓為235 V；樣機(jī)采用控制器為T(mén)MS320LF2812型DSP和EP4CE 15F17C8型FPGA。系統(tǒng)采樣頻率9.6 kHz。IGBT的開(kāi)關(guān)頻率為9.6 kHz。最后所得的軟啟動(dòng)充電A相電容電壓之和的波形如圖6所示，A相兩H橋單相電容電壓波形如圖7所示。

由圖6、圖7可知采用軟啟動(dòng)方式對(duì)直流側(cè)電容電壓進(jìn)行充電，充電過(guò)程平穩(wěn)，不會(huì)對(duì)APF造成沖擊，相內(nèi)電容電壓在軟啟動(dòng)過(guò)程中幾乎不存在電容電壓不平衡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果是一致的，證明了本文所提出的的軟啟動(dòng)方式的正確性與可行性。

圖6 A相電容電壓之和Fig.6 Sum of A-phase capacitor voltages

圖7 A相兩H橋單相電容電壓Fig.7 A-phase capacitor voltage of two single-phase H-bridges

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)級(jí)聯(lián)APF在啟動(dòng)過(guò)程中存在電壓沖擊的問(wèn)題，提出一種適用于級(jí)聯(lián)APF的軟啟動(dòng)方法，詳細(xì)地論述了電容電壓上升的原因，最后對(duì)所提出的軟啟動(dòng)方式進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)。比較了采用電容電壓平衡控制對(duì)電容電壓充電的方式與軟啟動(dòng)方式的充電波形，結(jié)果表明，軟啟動(dòng)方式可以將電容電壓有效充電至設(shè)定值，不會(huì)造成過(guò)大的相間電容電壓不平衡，也不會(huì)造成相內(nèi)電容電壓不平衡，有效解決了級(jí)聯(lián)APF啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)APF造成的沖擊問(wèn)題。對(duì)工程應(yīng)用具有一定的借鑒價(jià)值。