摘 要：

非隔離單相半橋統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）兩側(cè)變換器的脈動功率差將在直流電容及分電容上產(chǎn)生復(fù)雜的多倍頻電壓紋波，各次電壓紋波會對串聯(lián)側(cè)變換器的補償電壓有不同的影響，降低串聯(lián)側(cè)變換器的補償效果。為了抑制直流電壓紋波影響，利用等效電容電流模型計算直流電容電壓表達式，分析直流紋波及非線性負載對補償電壓的影響路徑，并仿真驗證其正確性。針對分電容電壓紋波和非線性負載對電壓補償效果的影響，提出一種抑制多倍頻紋波影響的補償電壓特定次諧波控制策略。最后，基于SiC器件建立了非隔離單相半橋UPQC實驗平臺進行實驗驗證，實驗結(jié)果表明在非線性工況下，所提控制策略將補償電壓THD從12.2%降低至2.4%，相比于傳統(tǒng)控制可以減少約70%的直流電容需求。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器；分電容電壓紋波；紋波影響抑制；補償電壓特定次諧波控制

DOI：10.15938/j.emc.2024.03.004

中圖分類號：TM761

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）03-0033-10

收稿日期： 2023-02-22

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2021YFB2601500）；國家自然科學(xué)基金（52077183）

作者簡介：唐 岑（1999—），女，碩士研究生，研究方向為電力電子變換器控制與調(diào)制策略；

向詩彪（1997—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子變換器控制與調(diào)制策略；

孟令輝（1992—），男，博士，研究方向為電力電子變換器控制與調(diào)制策略；

朱唯偉（1996—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子變換器控制與調(diào)制策略；

舒澤亮（1979—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子技術(shù)及應(yīng)用。

通信作者：舒澤亮

DC ripple analysis and influence suppression for transformer-less single-phase half-bridge UPQC

TANG Cen1， XIANG Shibiao1， MENG Linghui1， ZHU Weiwei1，2， SHU Zeliang1

（1.School of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;

2.Meyer Optoelectronic Technology INC， Hefei 230093， China）

Abstract：

The pulsating power difference between the series and parallel converter of the transformer-less single-phase half-bridge unified power quality conditioner （UPQC） generates multiple frequency voltage ripples on the DC-link capacitor and sub-capacitor. Different frequency voltage ripples generate different effects on the compensation voltage， and reduce the compensation effect of the series converter. In order to suppress the influence of the DC-link voltage ripple， the expression of DC-link voltage was calculated by using the equivalent capacitance current model， the influence path of DC-link ripple and nonlinear load on the compensation voltage was analyzed， and the ripple analysis was verified by simulation. Aiming at the influence of harmonic load and sub-capacitor voltage ripple on the voltage compensation effect， a compensation voltage specific order harmonics control strategy was proposed to suppress the influence of multiple frequency ripple. Finally， a UPQC experimental platform based on SiC devices was established. Experimental results show that under nonlinear conditions， the proposed control strategy reduced the compensation voltage THD from 12.2% to 2.4%， and can reduce the DC-link capacitance demand by about 70% compared with the traditional control.

Keywords：power quality; unified power quality conditioner; sub-capacitor voltage ripple; ripple influence suppress; compensation voltage specific order harmonics control

0 引 言

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（unified power quality conditioner，UPQC）兼具負載電流諧波和電源電壓波動補償功能，能較好地抑制電網(wǎng)電能質(zhì)量對敏感負載的影響［1-3］。但半橋UPQC的分電容中點連接交流母線使得分電容電壓中包含交流基頻成分［3-5］，同時并聯(lián)側(cè)變換器補償諧波電流引起的直流側(cè)及分電容電壓多倍頻脈動，導(dǎo)致串聯(lián)側(cè)輸出的補償電壓諧波含量大幅增加。

增加直流電容［6］、并聯(lián)LC二次諧振濾波器［7］或增加有源功率解耦電路［8］等策略均可減少直流電壓脈動。但這類方法增加了系統(tǒng)的體積、成本并降低了變換器的功率密度及穩(wěn)定性?？紤]到UPQC的直流母線不直接與負載相連，無需附加電路緩存脈動能量，只需抑制其波動的影響即可。因此，增加陷波器［9］、低通濾波器［10］減少進入控制環(huán)路的脈動量；設(shè)計比例諧振控制器跟蹤諧波電流［11］或輸出功率［12］以抑制直流電壓脈動影響；通過重復(fù)控制器結(jié)合無差拍控制［13］、PI控制［14］以準(zhǔn)確抑制任意整數(shù)倍頻次諧波等方法被陸續(xù)應(yīng)用。然而上述控制器存在的動態(tài)響應(yīng)速度慢，魯棒性差等問題［15］，并不利于UPQC系統(tǒng)的穩(wěn)定補償。文獻［2］在電流內(nèi)環(huán)注入電源電流諧波，能有效降低諧波含量，但檢測出的各次諧波分量直接注入調(diào)制波，仍是開環(huán)控制策略，動態(tài)補償效果不佳。因此本文選用補償電壓特定次諧波控制策略實現(xiàn)串聯(lián)側(cè)補償電壓諧波的閉環(huán)控制，抑制多倍頻紋波的影響。

在非隔離半橋UPQC中，兩側(cè)變換器補償時負載有功和無功功率都會流經(jīng)變換器，相比隔離型UPQC，直流電容上的脈動功率差更大，因此直流電壓脈動更加明顯，分電容電壓紋波成分也更為復(fù)雜。文獻［4］分析了半橋UPQC的直流電壓工頻紋波，但沒有考慮多倍頻紋波和分電容電壓脈動的影響，采用增大直流電容的策略無法有效抑制補償電壓的諧波含量。文獻［5］設(shè)計了合理的PI截止頻率來抑制直流電壓的波動，但分電容電壓脈動還是會在調(diào)制環(huán)節(jié)造成串聯(lián)側(cè)變換器補償電壓的畸變。綜上所述，抑制直流電壓波動的單一方案無法有效解決半橋UPQC分電容多倍頻紋波降低串聯(lián)側(cè)補償效果的問題，因此對非隔離半橋UPQC直流電壓和分電容電壓紋波的分析至關(guān)重要。

因此本文以非隔離單相半橋UPQC為研究對象，計算直流電容及分電容電壓紋波的表達式，并分析分電容電壓紋波和非線性負載對串聯(lián)側(cè)變換器補償效果的影響。為抑制補償電壓的畸變，提出補償電壓特定次諧波控制方法，并進行實驗驗證。

1 半橋UPQC電容電壓紋波分析

非隔離半橋UPQC拓撲如圖1所示，半橋橋臂（Q1、Q2）、直流側(cè)電容（C1、C2）、濾波電感Lc組成并聯(lián)側(cè)變換器，作為有源電力濾波器補償非線性負載ZL產(chǎn)生的無功及諧波電流。半橋橋臂（Q3、Q4）、直流側(cè)電容、濾波電感電容（Ls、Cs）組成串聯(lián)側(cè)變換器，可看作動態(tài)電壓補償器補償電源電壓vs的跌落及畸變［1-3］。單相UPQC由兩側(cè)變換器共用直流側(cè)電容組合而成。

4 直流電容電壓紋波分析仿真

為驗證直流側(cè)電容電壓紋波分析的正確性，在MATLAB/Simulink中根據(jù)圖1和表1搭建非隔離單相半橋UPQC仿真平臺，其中并聯(lián)側(cè)濾波為LCL電路。電壓波形及FFT分析結(jié)果如圖6所示。其中下電容電壓分析結(jié)果與上電容一致。

由圖6（a）可知，上電容電壓仿真與理論相比，峰值差小于0.21%，峰峰值相差0.64%?？傠娙蓦妷悍逯挡钚∮?.16%，峰峰值相差8.33%。

由圖6（b）FFT分析結(jié)果可知，上電容電壓工頻成分幅值仿真與理論相差0.11%；2倍工頻成分幅值相差0.10%；4倍工頻成分幅值基本相等?？傠娙蓦妷簬缀鯚o工頻成分，2倍工頻成分幅值相差0.10%；4倍工頻成分幅值基本相等。

因此UPQC帶非線性負載時，分電容電壓各次分量幅值相差不超過0.11%，總電容電壓各次分量幅值相差不超過0.10%，驗證了非隔離半橋UPQC直流電壓和分電容電壓紋波分析的正確性。

由式（7）和式（9）可得上電容電壓和總電容電壓紋波系數(shù)隨負載變化的波形并仿真驗證如圖7所示。由圖7（a）可知，上電容紋波系數(shù)隨Ip和Iq的增大而增大。總電容紋波系數(shù)隨Iq的增大而增加，當(dāng)Ip增大時系數(shù)不變。因此線性負載工況下，只要帶載分電容上就有電壓紋波，而總電容電壓紋波是由負載無功功率引起的。上電容電壓的仿真和理論值最大相差3.8%，總電容電壓最大相差0.95%。

在非線性負載工況下，設(shè)置負載電流各次成分等比例變化，當(dāng)n=1時，Ip=Iq=1 A，I3p=I3q=0.6 A。由圖7（b）可知，各次電壓紋波系數(shù)均隨著負載加重增加。上電容電壓工頻分量的仿真和理論值最大相差0.24%，總電容電壓最大相差0.76%，證明了不同工況下理論的正確性。

以n=5的非線性負載工況為例，測試不同直流分電容時串并聯(lián)側(cè)變換器在不同控制策略下的補償性能，結(jié)果如圖8所示。隨著分電容增大，電源電流和補償電壓THD減小。在電容較小時，所提控制策略可以明顯抑制直流電壓紋波對并聯(lián)側(cè)電流補償和串聯(lián)側(cè)電壓補償?shù)挠绊憽鹘y(tǒng)控制下分電容為2 000 μF左右才能實現(xiàn)與所提控制下分電容600 μF相同的電源電流THD。在補償性能相同的情況下，所提出的控制策略可使直流分電容降低約70%。分電容超過600 μF后，直流電壓紋波對補償電壓影響較小，所提控制可實現(xiàn)較低的補償電壓THD。

綜上可知，直流電壓紋波系數(shù)與變換器傳遞的有功、無功功率有關(guān)，不同紋波系數(shù)也會影響串并聯(lián)側(cè)變換器補償性能，因此直流電容的選擇也與上述條件有關(guān)?？紤]到直流電壓等級較高，在實驗系統(tǒng)留有裕度的前提下取紋波系數(shù)0.38，取直流電容為525 μF。

5 實驗驗證

參照表1所示參數(shù)搭建非隔離單相半橋UPQC實驗平臺，功率等級350 W，驗證所提補償電壓特定次諧波控制策略的正確性，平臺如圖9所示。

UPQC的系統(tǒng)啟停波形如圖10所示：（a）階段繼電器J1吸合，預(yù)充電開始，直流電壓上升；（b）階段繼電器J2吸合，繼電器J1斷開，預(yù)充電過程結(jié)束，電壓傳感器檢測到系統(tǒng)處于欠壓狀態(tài)；（c）階段繼電器J3吸合，切入輸出電容，啟動串聯(lián)側(cè)變換器，補償電源電壓跌落；（d）階段并聯(lián)側(cè)進入可控整流階段，直流電壓上升到額定值，兩側(cè)變換器均在工作；（e）階段UPQC帶載，并聯(lián)側(cè)開始補償無功電流和諧波電流，補償電壓和直流電壓均穩(wěn)定；（f）階段切載，電源電流歸0；（g）階段并聯(lián)側(cè)停機，回到不控整流狀態(tài)，直流電壓下降；（h）階段串聯(lián)側(cè)停機，補償電壓下降到0；（i）階段輸入電壓斷開，UPQC系統(tǒng)停機。

圖11為補償電壓特定次諧波控制的實驗波形圖。如圖11（a）所示，在傳統(tǒng)控制下，非線性工況時補償電壓的THD為12.2%，其中3次諧波有效值達到2.9 V，5次達到2.0 V，7次達到0.9 V，9次達到0.5 V，而11次、13次等諧波含量不超過0.1 V，因此忽略不計。說明帶非線性負載時，串聯(lián)側(cè)補償電壓中存在明顯的奇次諧波。此時負載電壓THD為4.8%。

圖11（b）為電壓環(huán)加入3次、5次、7次諧波控制后的實驗波形圖。當(dāng)加入特定次的諧波控制后，相應(yīng)的奇次諧波含量會有明顯下降。其中，3次諧波有效值從2.9 V下降到了0.2 V，5次諧波有效值從2.0 V下降到了0.2 V，7次諧波有效值從0.9 V下降到了0.1 V。串聯(lián)側(cè)補償電壓THD從12.2%下降至2.4%，負載電壓THD從4.8%下降至2.0%。加入7次諧波控制后，各次諧波含量都接近0，負載電壓也保持高正弦性，因此不再加入更高次諧波的補償控制。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，圖12為加入各次特定次諧波控制后的補償電壓THD。

當(dāng)特定次諧波控制從3次增加到5次、7次，補償電壓的THD從12.2%到7.4%、3.4%，最后下降至2.4%。加入特定次的諧波控制之后，相應(yīng)的諧波分量就會明顯降低，而其余次諧波基本無變化。實驗結(jié)果證明了所提的補償電壓特定次諧波控制可以有效降低串聯(lián)側(cè)變換器補償電壓的諧波含量。

UPQC滿載（25 Ω）帶載/切載動態(tài)實驗波形如圖13所示。帶載時并聯(lián)側(cè)變換器投入工作，正常輸出補償電流。補償電壓在帶載160 ms后回到額定值，直流電壓超調(diào)量約40 V。切載時恢復(fù)時間200 ms，超調(diào)量約70 V。電源電壓變化的動態(tài)響應(yīng)波形如圖14所示，電源電壓有效值從56 V突升到72 V再突降回56 V，負載電壓在升壓和降壓過程中均經(jīng)過約120 ms回到額定值，電源電流和補償電壓重新達到穩(wěn)態(tài)值。以上動態(tài)測試結(jié)果證明整個系統(tǒng)保持良好的動態(tài)補償特性。

6 結(jié) 論

本文以非隔離單相半橋UPQC為研究對象，利用等效電流模型推導(dǎo)直流電容電壓的表達式。在此基礎(chǔ)上，分析了非線性負載和分電容電壓的影響路徑及補償電壓的諧波成分，并提出一種提高串聯(lián)側(cè)變換器補償性能的特定次諧波控制策略。仿真及實驗結(jié)果表明：

1）分電容電壓紋波和非線性負載會通過調(diào)制和控制環(huán)節(jié)增加串聯(lián)側(cè)補償電壓的奇次諧波含量，其畸變程度隨負載電流諧波含量的增加而加重。

2）本文提出的補償電壓特定次諧波控制策略，可在非線性工況下將串聯(lián)側(cè)變換器補償電壓THD從12.2%降低到2.4%，相對于傳統(tǒng)控制策略所提控制可以減少約70%的直流電容需求。

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（編輯：劉琳琳）