第４５卷第５期 电力电子技术 ２０１１年５月 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｍａｖ ２０１ｌ 三电平ＡＰＦ直流侧电容电压控制研究 孙 华，张 晓，孔令军，李成君 （１．中国矿业大学，信息与电气工程学院，江苏徐州２２１００８； ２．江苏省电力传动与自动控制工程技术研究中心，江苏徐州２２１００８） 摘要：为了提高三电平有源电力滤波器（ＡＰＦ）的动态补偿性能．针对影响ＡＰＦ补偿性能的直流侧电压平衡问 题，提出一种基于零序电压注入的直流侧中点电位平衡控制方法，建立了该方法的控制模型，揭示了控制输入 的零序电压分量作为一个控制自由度对中点电位的影响。分析了中点电压不平衡的根本原因，并给出一种基 于符号滞后判断的中点电位平衡控制算法。三相正序参考电压指令采用无差拍控制方法产生，最后采用 ＳＶＰＷＭ控制方法产生脉冲信号。通过对系统的仿真和实验，验证了该控制方法的有效性和实时性。 关键词：有源电力滤波器：三电平变换器：中点电位平衡 中图分类号：ＴＭ７１３＋．８ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌＯ００一ｌＯＯＸ（２Ｏｌ１）０５—００４９—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ＤＶ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｒ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈ ａ Ｔｈｒｅｅ．１ｅｖｅｌ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ＳＵＮ Ｈｕａ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ，ＫＯＮＧ Ｌｉｎｇ－ｊｕｎ，ＬＩ Ｃｈｅｎｇ－ｊｕｎ （１．Ｃｈｉｎａ Ｕｎ＆ｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。 Ｍ ２２１００８，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｄｒｉｖｅ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， ｗｂ“２２１￣８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｉｌｔｅｒ（ＡＰＦ），ａ ｎｅｕｔｒａｌ ｖｏｌｔ－ ａｇｅ ｂａｌａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂｙ ｉｎｊｅｃｔｉｎｇ ｚｅｒｏ—ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ａ ｃｏｎｔｏｒｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｅｓ－ ｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｎｅｕｔｒａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｂａｌａｎｃｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｓ ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｓｉｇｎｓ ｏｆ ｍｏｄ－ ｕｌａｔｉｏｎ ｖｏｌｔａｇｅｓ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｌｓｏ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｓｉｇｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｍａｄｅ ｂｙ ｄｅａｄｂｅａｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ＳＶ— ＰＷＭ ｃｏｎｔｏｒｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｓｉｇｎａ１．ｈＴｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖａｌｉｄａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒ—ｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ ｉｓ ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｉｌｔｅｒ；ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｎｅｕｔｒａｌ—ｐｏｉｎｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｂａｌａｎｃｅ １ 引 言 ２三电平ＡＰＦ补偿及直流侧电压波动 随着电力电子设备的大量使用，电网谐波污 ２．１ 三电平ＡＰＦ补偿原理 染问题越来越严重，ＡＰＦ作为一种可动态抑制谐 图１为三电平ＡＰＦ系统构成原理图。ＡＰＦ系 波和补偿无功的设备得到了广泛关注和研究。但 统由指令电流运算电路和补偿电流发生电路（包 在ＡＰＦ同时补偿谐波和无功时直流侧电压浮动 括电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路）两部分 较大．严重影响了补偿的跟随性和精度，因此需 组成．主电路采用三电平ＰＷＭ变流器。 有效控制好直流侧电压，保持其稳定。 ＡＰＦ的主电路采用二极管中点筘位型三电平 ＰＷＭ变流器，针对关键的直流侧电压控制问题， 给出一种基于零序电压注入的控制方法…。从理 论上详细分析了实现直流侧中点电位平衡控制的 内在规律．给出了所需零序电压的准确解析计算 图１ 三电平ＡＰＦ系统构成原理图 方法．并进行了仿真实验研究，结果证明了该方法 的可行性和有效性。 ＡＰＦ的工作原理是：非线性负载电流ｉ 经电 流互感器后通过谐波电流检测电路得到应补偿的 定稿日期：２０１０一ｌ１—２９ 谐波电流期望值ｉ ，再通过电流跟踪控制电路和 作者简介：孙 华（１９８６一），女，河南商丘人，硕士，研究方 驱动电路，控制变流器主回路，使三电平变换器注 向为电力电子与电力传动、电能质量。 入电力系统的谐波电流 ＝ ，从而电源电流ｉ。只 ４９ 第４５卷第５期 ２０１１年５月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４５．Ｎｏ．５ Ｍａｖ ２０１１ 需提供基波电流ｉ ，最后使系统波形实现正弦化。 ２．２直流侧中点电位波动分析 由三电平ＡＰＦ工作原理可知，要想很好地补 将式（３）代入式（４），平均中线电流为： ＩＮｐ＝－［ｓｇｎ（ ）／￣ｒａｌｉ ＋ｓｇｎ（ ｒｂ）Ⅱｌｂｌ ＋ｓｇｎ（ｕ ）ｔｔ￣ｌｉ 卜 ［ｓｇｎ（Ｕｒａ） ＋ｓｇｎ（／Ｚｒｂ） ｂ＋ｓｇｎ（ｕ ） ｕ０ （５） 式中：ｓｇｎ（）为符号函数，当 ／＞０时，ｓｇｎ（ ）＝１，当ｘ＜０时， ｓｇｎ（ ）＝一１。 偿系统谐波电流。三电平逆变器起着关键作用，而 直流侧电容电压的中点电位波动又是三电平变流 器的固有问题，所以对中点电位的控制显得尤其 重要【 。三电平ＡＰＦ主电路拓扑结构如图２所示。 由图２可知， 将流经直流滤波电容，是造 成稳态下直流滤波电容电压波动的根本原理【３１， 图２三电平ＡＰＦ主电路拓扑结构图 三电平逆变器运行中之所以会遇到中点电位 偏移。是因为在直流侧中性点Ｄ存在流入或流出 的中点电流ｉ 。当某一相上输出为零电压时 （Ｖ ，Ｖ 导通， －－ａ，ｂ，Ｃ）， 使得直流侧电容 Ｃ。， 分压产生失衡：当 流出Ｏ点时，对Ｃ。充 电；当 流入Ｏ点时，对ｃ 充电，若ｃ ，ｃ 的充 放电过程不均衡．则中点电位就要发生偏移。由此 可见，ｉ。 ≠ｉ 或 ≠０是产生中点电位偏移的必 要条件，而零电压在此过程中起着重要影响。 ２．３ 中点电位波动模型 三电平ＡＰＦ稳态时，若认为负载为感性负载 且足够大。则交流侧三相电流和三相调制电压为： ｆｉａ（ｔ）＝，ｍｃｏｓ（ｔｏｔ＋ｏｔ） ｛ｇ ｂ（ｆ）＝，ｎｌｃＯＳ（Ｏ）ｔ＋Ｏ／一１２０。） （１） 【ｉｏ（ｔ）＝Ｉ￣ｃｏｓ（ｔｏｔ＋ａ＋１２０。） Ｊｕ Ｉ（ｔ）＝Ｍｃｏｓｔｏｔ ｛ｕＴｂＩ（ｔ）＝Ｍｃｏｓ（ｔｏｔ一１２０。） （２） 【ｕ ｌ（ｔ）＝Ｍｃｏｓ（ｔｏｔ＋１２０。） 式中： 为功率因数角；，ｍ为负载电流幅值；６０为基波频 率，ｔｏ＝２￣ｆ；Ｍ为调制度。 对于三相三线系统．在三相参考电压中可包 含零序电压分量。如果注入零序电压Ｈ，０（ｔ），则实 际的三相调制电压为： Ｈ （ｔ）＝ ｌ（￡）＋ｔｔｏ（ｔ） （３） 根据基尔霍夫电流定律，由图２可得口，ｂ，Ｃ坐 标系下控制周期 内中点电位波动的平均模型： Ｃ（ 厂％）＝ －ａｂｓ（ｕ ） 一ａｂｓ（ｕｒｂ） ｂ—ａｂｓ（／ｔｒｃ）ｉｃ（４） 式中：右边各量均为 内的采样值。 ５０ 所以，中点电位波动控制的本质就是控制 ０， 使每个 内直流电压的变化Ａｕ出ｌ＝△ｕ越＝０。对于 ＰＷＭ控制而言，控制自由度就是ｕｏ（ｔ）。为使 ＝ ０．Ｕｏ（ｔ）应被控制为： “ｏ（ｔ）＝ ｇ ！ ｓｇｎａ± ｇ ｉａ＋ｓｇｎｂｌｂ＋ｓｇｎｅ± ｇ ／ｃ ：！立 （６） 三相实际参考电压的符号［ｓｇｎ ｓｇｎｂ ｓｇｎｏ］ ＝ 【ｓｇｎ（ｕ ）ｓｇｎ（ｕ ）ｓｇｎ（ｕ ）］ ，式（６）即为平均意义上 中点电位平衡控制模型。 ３基于零序电压注入的中点电位平衡控制 式（６）是在稳态下推出的中点电位平衡控制 模型，但是除了稳态下的直流电容电压波动外，还 可能存在扰动等因素引起的电容电压偏差，因此 采用直流电压反馈控制加以改进。其方法为：设在 各 内，测得Ｃ ，Ｃ：之间的电压偏差为：△Ｍ出（Ｉｉ｝）＝ （ｋ）一 （ ），通过控制 使该 内直流电压 尽量向平衡点变化．平衡中线电流与电压变化之 间的关系为： ｒ Ａｕｄｃｌ＝一Ａｕｄｃ２＝— （７） 二 式中：Ｃ为直流侧滤波电容容量。 这样当直流电压已经存在偏差时， 并非控 制为零，而应为 ＝一ＣＡｕ如（ｋ）， ，则这样需要注 入的零序电压可改进为： ‰（ ）： 出 （８） Ｓｇｎａｔａ＋ｓｇｎ ｂ十ｓｇｎ ｃ 控制中点电位平衡所需的Ｕ０（￡）是以 ０为 目标计算的，但实际注入的／Ｚ０（ｔ）还将受到参考电 压幅值，需满足约束条件ＩＵ ｌ＝ＩＵｔｘｌ＋Ｕｏ ｌ≤１。 在此采用注入零序电压方法来控制中点电位 平衡，当满足ｉ／Ｚ ｆ＝ｆ Ｕｔｘｌ＋“。ｆ≤１时，可完全消除中 点电位的交直流波动。但在式（８）求解所需加入零 序电压分量的计算中要对三相调制电压进行符号 区域划分．而三相调制电压的零序电压分量正是 要求解的量。因此．实现中点电位平衡控制的关键 是如何有效地对加入零序电压分量后的三相调制 电压进行符号判断。在此给出一种采用滞后判断 求得三相调制电压符号的判断方法。以ａ相为例， 三电平ＡＰＦ直流侧电容电压控制研究 递推计算和初值计算的公式为： 位平衡控制方法有效地抑制了中点电位波动，经 ｆｓｇｎｊ（ｋＴ）＝ｓｇｎ［ｕ （ｋ－１） ／ｓｇｎ［ｕ （ｋＴ）］＝ｓｇｎ［ｕ （ ）＋ｕ。（＿ｉｃ ）】 … 、 过ＡＰＦ补偿后的电源电流基本为正弦波 ｆｓｇｎｊ（ｎＴ）＝ｓｇｎ［ｕ ｌ（ｎ ）】 【ｓｇｎ［ｕ （ｎＴ）］＝ｓｇｎ［ｕ ｌ（ｎＴ）＋ｕ０（ ）］ ，，ｎ、 ５ 实验验证 基于所研制的三电平ＡＰＦ试验台。对控制方 式中：ｋ为采样序号，ｋ ｛ｎ＋Ｉ，ｎ＋２，…｝，ｎ为起始采样时 刻；Ｔ为采样控制周期；ｓｇｎｊ（ｋＴ））ｔ￣第ｋ个采样控制周期中 用于计算零序电压的ａ相调制电压符号；ｓｇｎ【 （ ｒ）】为加 入零序电压后实际得到的ａ相调制电压符号。 法进行验证。样机采用ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２型ＤＳＰ实现 全数字化控制。实验装置由三电平逆变器主回路、 控制回路和负载组成。控制回路中的驱动电路与 主电路通过光纤进行信号传输，实现主回路和控 制回路的完全电气隔离。由图４实验波形可见，系 在任意采样时刻，利用式（９）求出的ｓｇｎｊ（ ｒ，） 和式（８）得到／／＇０（ ），再利用式（９）求出ｓｇｎ［ｕ （ ）】。 统得到了很好的补偿．母线上下电容电压在预充 若ｓｇｎｊ（ｋＴ）＝ｓｇｎ［ｕ （ ）】，则ｓｇｎｉ（ｋＴ）为ａ相调制电 压符号，此时得到的／ｚ０（￡）即为所求；若ｓｇｎｊ（ｋＴ）＝ 一ｓｇｎ［ｕ （ ）】，则ｓｇｎ［ｕ （ 】是ａ相调制电压的符 号，此时ｕ。（ｆ）需依照ｓｇｎ［ｕ （后 ）】重新计算。 以上调制电压符号的滞后判断方法无需复杂 的符号区域判断，能够很好地控制直流中点电位 波动， 而且改进后的中点电位控制计算方法实时 考虑了原有的电压偏差值。这样可做到在中点电 位己偏移的情况下也能将中点电位拉回平衡点， 实时精确控制。 ４仿真分析 利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对所提出的中点电．位平 衡方法进行仿真，图３为三电平ＡＰＦ直流侧电压 平衡控制实现框图。三相正序参考电压指令采用 无差拍控制方法产生『４】。中点电位平衡算法根据 ＡＰＦ交流侧电流、直流侧电压以及三相参考电压 的采样值计算出需注入的Ｕ０（ｆ）。仿真参数：电源 线电压３８０ Ｖ／５０ Ｈｚ；系统采样频率１０ ｋＨｚ：ＡＰＦ 滤波电感Ｌ＝１，７ ｍＨ；非线性负载为三相不控整流 桥带电感负载，Ｒ＝８ Ｑ， ＝１ ｍＨ；直流侧母线总电 压 ＝１ ｋＶ；调制比Ｍ＝０．９。 ｅＳａ ｅｓｂ 非线性 负载 如‘惩 Ｓ—Ｖ｜ｊ—Ｐ＝Ｗ“ Ｍｌ控＋“一制Ｏ 三电平 逆变器 脉冲 Ｕａｃｌ 无差拍控制 【，ｄｃ２ 图３三电平ＡＰＦ直流侧电压平衡控制实现框图 由仿真波形可知，两电容在预充电时，经过一 超调很快达到稳定值．上下电容电压均稳定在 ５００ Ｖ，中点电位波动不超过３ Ｖ。所提出的中点电 电后均维持在５００ Ｖ，保持了很好的平衡性。 ｌｌ ：ｉｘ－ Ｄ ｔ／（２５ ｍｓ／格）ｔ／（２５ ｍｓ／格） （ａ）氲流蹲线总电 （ｂ） 流侧阳电容电压 ■．、 八 八 八 Ｍ ｔ／（２５ ｍｓ／格）ｔ／｛２５ ｍｓ／格） （ｃ）补偿静电源电流 （ｄ）补偿后Ｉ乜源电流 图４实验波形 ６ 结 论 分析了三电平有源电力滤波器补偿原理，针 对补偿过程中三电平变换器直流侧电压中点电位 控制问题．建立了基于零序电压注入的中点电位 平衡控制模型，分析了中点电压不平衡的根本原 因 并提出了一种基于符号滞后判断的中点电位 平衡控制算法。仿真和实验结果表明了该控制方 法的实时性和有效性。 参考文献 【１】孟永庆，沈传文，刘正，等．基于零序电压注入的三 电平中点箝拉整流器中点电位控制方法的研究［Ｊ】．中 国电机工程学报，２００７．２７（１０）：９２—９７． 【２】何英杰，邹云屏，林磊，等．三电平有源滤波器直流 侧电压控制方法【Ｊ］．高电压技术，２００６，３２（６）：７９－８３． 【３】宋强，刘文华，严于贵，等．基于零序电压注入的三 电平ＮＰＣ逆变器中点电位平衡控制方法【Ｊ１．中国电 机工程学报．２００４，２４（５）：５７—６２． 【４】Ｔａｌｌａｍ Ｒ Ｍ，Ｒ￣ｅｎｄｒａ Ｎａｉｋ，Ｎｏｎｄａｈｌ Ｔ Ａ．Ａ Ｃａｒｒｉｅｒ－ｂａｓｅｄ ＰＷＭ Ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ Ｎｅｕｔｒａｌ—ｐｏｉｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｉｎ Ｔｈｒｅｅ．１ｅｖｅｌ Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ａ］．ＩＥＥＥ ＡＰＥＣ’０４【Ｃ】．Ａｎａｈｅｉｍ，ＵＳ－ Ａ，２００４：７８５－７９０． ５】
