基于瞬时无功理论与三相全桥Delta逆变器

0 引言

    提高电能质量、节能降耗是当今电力系统急需解决的重大课题。最近几年出现了一种电力电子应用新技术，即。Delta逆变技术。这项新技术，是国际上正在广泛研究的串联、并联和串并联结构补偿电路的基础，能有效提高电能质量，因而引起了业界日益广泛的关注。

    瞬时无功理论(日本学者赤木泰文于1983年首次提出)检测原理的改进方法一基于同步旋转Park变换的d-q法，是目前谐波实时计算的主要方法，此法的特点是不仅简化了对称无畸变下的电流增量检测，而且也适用于不对称有畸变的市电电压检测。因此文章对采用d-q法来实现三相半桥式Delta逆变器式交流净化稳压电源进行了研究，并给出了仿真和实验结果与分析。

1 Delta逆变器与瞬时无功理论

    Delta逆变器是用电压增量(电压波动值±Vu和谐波分量uh)或者电流增量(无功电流iq和谐波电流ih)做调制波或参考信号，对高开关频率PWM逆变器进行控制的一种特殊方式、特殊用途的逆变器，其作用是对电压增量或电流增量进行补偿。Delta逆变器工作在高开关频率线性PWM状态，能够基本不失真地比例复现电压或电流增量的数值和波形；能满足对市电电压波动值±Vu进行正、负补偿的要求；主要应用在交流净化稳压器、无功补偿与电力有源滤波器、电能质量综合补偿器和串并联补偿式在线UPS等领域。

    三相瞬时无功理论是日本学者赤木泰文于1983年首先提出的，此后经不断研究逐渐得到了完善。现已包括p-q法、ip-iq法和d-q法。p-q法最早应用，是仅适用于对称三相且无畸变的市电电网；ip-iq法不仅对电源电压畸变有效，而且也适合于不对称三相市电电网的检测；基于同步旋转Park变换的d-q法，不仅简化了对称无畸变下的电流增量检测，而且也适用于不对称、有畸变的市电电网检测。

    d-q法是目前谐波实时计算的主要方法，此法的特点是不仅简化了对称无畸变下的电流增量检测，而且也适用于不对称有畸变的市电电压检测，其基本原理如图1所示。

    瞬时三相电流或电压通过如下的变换，变换到d-q坐标上：
   
    上式中，为d电流直流分量，与负载的有功功率相对应；为q轴电流直流分量，与负载基波相位移的无功功率相对应；d轴交流分量和0轴分量i0与负载基波不对称及高次谐波无功功率相对应。

    图1中ia、ib、iv为三相输入电流，iaf、ibf、icf为计算基波输出电流，它们之差即为三相谐波电流iah、ibh、ich。

    d-q变换是将静止坐标系中的相量变换到以基波角速度旋转的坐标系中，变换后的信号与原信号频率相差一个基波频率，即50Hz。如果信号为典型的三相特征谐波1th(基波)、5th、7th等，则分别对应于d-q坐标系中的直流，4th、6th等。低通滤波器滤除所有交流谐波后，其直流成分通过d-q反变换(CT)即可得到基波电流。

2 电路组成结构

    电路如图2所示。它由主电路和检测控制电路两部分组成。主电路又分为三相开关整流器和Delta逆变器两部分。开关整流器的主要作用是为Delta逆变器提供整流直流电源，并保持直流电容Cd上的电压Ud恒定。直流电容起滤波储能作用。采用开关整流器的目的有两个，一是保持市电输入功率因数COSφ=1，并使输入电流的波形接近于正弦波，以减小对市电的污染；二是可以使电能双向流动。Delta逆变器部分由三个单相Delta全桥逆变器及其输出变压器组成，其作用就是对市电电压的波动值Vu、谐波分量uh和三相不对称度进行补偿。Delta逆变器部分所以采用三个单相Delta逆变器及其输出变压器，其原因有两个：一是由于三相四线制的市电系统所带的负载，多数情况下是不对称的，必须用互无联系的单相Delta逆变器独立进行补偿；二是也可以提高三相四线制电源的可靠性，万一有一相出现故障，另外两相还可以继续供电。三个单相Delta逆变器都是可以双向四象限工作的，以满足对市电电压波动值±Vu的正、负补偿。

    图2中三相基准正弦电压uar、ubr、ucr经过d-q变换得到和u0r。用低通滤波器(图3所示)滤除谐波分量，即可得到d-q坐标系中对应于基波的有功和无功分量，和零序分量u0r，市电电压ua、ub、uc亦经d-q变换得到，用这两组信号进行减加运算后可得；；。其中。反映的是基波电压的波动值，反映的是谐波分量，2u0r-u0反映的是三相电压的不对称度。故将udf、uqf、u0f进行d-q反变换即可得到反映负载电压基波波动变化、谐波分量和三相电压不对称度的调制波电压。然后用相应的SPWM控制电路进行控制，即可使负载上的电压成为稳定、纯净的正弦波电压。

   图3三阶切比雪夫型模拟式低通滤波器

    图3中的低通滤波器一般都采用三阶切比雪夫型模拟式低通滤波器，按照图中给出的参数，其截止频率为22Hz，误差小于2．5％。滤波器的传递函数为：
   

    仿真波形如图示，图4是补偿前三相电压的幅值是不平衡的，补偿后三相电压的幅值基本平衡了。 图5是补偿前三相电压不平衡而且含有谐波，补偿后三相电压基本平衡，而且谐波含量也大大减少。

3 结论

    现今的电网工况是非常复杂和严酷的，电网中复杂的负载性质使得电网存在功率因数低下、波形畸变、浪涌、相位丢失等不良境况。研究以及仿真结果表明，当采用瞬时无功理论中的d-q检测法及PWM控制方式时，在市电电压不平衡并含有谐波的情况下，经过瞬态电压补偿器补偿后，可以使负载上的三相电压平衡，并成为稳定纯净的正弦波电压。