一種三電平有源電力濾波器的研制

張一鳴 倪福銀 沃松林

摘 要：隨著經濟社會的快速發展，非線性負載被廣泛應用于各類電氣設備之中，帶來了大量的諧波干擾，為此，研究有源電力濾波器對諧波抑制具有重要意義。設計一種三電平有源電力濾波器，建立了中點鉗位型三電平逆變器拓撲結構，采用基于瞬時無功功率的dq0算法對有源電力濾波器進行諧波檢測，在傳統的空間矢量脈寬調制控制算法基礎上，進一步優化空間矢量脈寬調制控制策略，并將其應用于三電平有源電力濾波器。通過建立仿真模型進行實驗，結果表明，該控制策略具有良好的諧波電流抑制和補償能力，可應用于配電網的諧波補償，具有較好的工程應用價值。

關鍵詞：三電平；有源濾波器；諧波抑制；dq0；SVPWM

中圖分類號：TM464 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2017）02-0045-06

21世紀以來，電力電子技術得到飛速的發展，非線性負載不斷應用于各類電氣設備之中，對電力系統的穩定和安全帶來了嚴重挑戰。[1-3]因此，改善電能質量，減小非線性負載帶來的諧波電流對保證工業生產具有重大意義。

當前，由于傳統的無源濾波器具備維護便利、成本低廉等優點，在電網中得到了普遍的應用[4]，但是無源濾波器的諧波濾除率一般只有80%，并只能對特定次數諧波進行濾除和補償，動態補償特性較差，所以學術界提出有源電力濾波（Active Power Filter， APF）。[5-7]又因為傳統的兩電平有源電力濾波器不能適應高壓大功率領域的要求，所以在這種環境下，三電平有源電力濾波器在諧波抑制和無功功率補償領域得到了推廣和應用。[8-13]

諧波電流檢測與控制的準確性與快速性決定了有源電力濾波器的性能。目前，諧波檢測方案主要有幾下幾種：一是基于快速傅立葉變換的檢測方法，研究表明，該方法具有檢測精度高和響應速度快等特點[14]；二是將傅立葉變換與小波變換相結合，實驗仿真驗證了小波分析具有時域和頻域的雙重分辨率，能彌補傅立葉變換的缺點[15]；三是提出基于瞬時無功功率的檢測方案[16]；四是提出基于自適應原理的改進型FBD諧波電流檢測算法，增強了負載電流突變時的動態響應特性，針對諧波電流進行了有效的抑制。[17]

盡管現階段學術界提出許多諧波抑制技術，但在三電平APF設計中存在許多難點，諧波電流的檢測與補償算法設計過程過于復雜，難以應用，因此在這種背景下，提出一種三電平有源電力濾波器拓撲結構，以中點鉗位（neutral Point Clamped， NPC）三電平逆變器作為主回路，運用基于瞬時無功功率理論的dq0諧波檢測方法，并對空間矢量脈寬調調制（Space Vector Pulse Width Modulation， SVPWM）算法實現進行改進，從而讓三電平有源電力濾波器具有更好的濾波功效和更快的補償速度，使得APF具有更廣闊的適用范圍，實現對電能質量問題的綜合治理。

1 三電平APF拓撲結構方案

中點鉗位型三電平逆變器拓撲結構如圖1所示，每一相開關狀態分為0，1，-1，每一電平又具有三相，因此，三電平逆變器共有27種開關狀態。

圖1中，直流側分別由電容相連，中點與每個橋臂的輔助二極管相聯，中點電位受每相輸出電流的影響。[Udc]為直流側電壓，當兩個電容上的電壓相等并[Udc1=Udc2=Udc/2]時，主開關管承受[Udc/2]電壓。

2 基于dq0的有源電力濾波器諧波檢測技術

如圖2所示，采用基于瞬時無功功率的dq0諧波電流檢測控制策略，在低通濾波器（Low Pass Filter， LPF）之后加入PI反饋環節，從而得到輸入電流的諧波分量。

圖2中，[sin（ωt）]，[cos（ωt）]為電網電壓通過鎖相環所測得的正弦信號與余弦信號。首先將三相負載電流[ia]，[ib]和[ic]過[C32]變換得到[iα]和[iβ]，與經過鎖相環得到的正弦信號計算出[ip]、[iq]，再經LPF低通濾波得出[ip]、[iq]的基波正序分量[ipf]、[iqf]，經過P反饋控制，由[C]與[C23]運算得出三相電流基波分量[iaf]、[ibf]、[icf]，最后分別將[iaf]、[ibf]、[icf]與[ia]、[ib]、[ic]相減得到補償指令電流信號[iah]、[ibh]、[ich]。圖中：

[C=sinωt -cosωt-cosωt -sinωt] （1）

[C32=231 -12 -120 32 32] （2）

[C23=231 0 -12 32-12 -32] （3）

在三電平有源電力濾波器設計過程中，直流側電壓[Udc]需維持穩定。在理想狀態下，APF工作時與電網側不存在能量交換，但元件和連線之間存在諸多因素干擾，因此，提出將擾動造成的誤差與原先的電壓[Udc]數值比較，使用PI算法進行誤差調整，與基波有功分量疊加，得到的指令電流中存在補償量，能夠維持直流側電壓的穩定。

3 三電平濾波器諧波電流控制策略的研究

傳統的三電平SVPWM調制算法具有計算復雜等固有缺陷，實際工程中很難運用，因此，為了得到更高效的調制算法，提出一種優化的SVPWM算法。

針對三電平SWPWM矢量進行優化，建立電壓電流變換的空間坐標系。一電壓矢量[U]在坐標軸上分解為：

[usα=uαusβ=33uβ-33uα] （4）

假設三相電壓：

[uA=uscos（2πft）uB=uscos（2πft-23π）uC=uscos（2πft+23π）] （5）

如圖3所示，觀察空間矢量，三電平空間矢量由六個小型扇區組成，每一個獨立區域都可等效為單獨的兩電平矢量。針對每一個參考電壓，都能夠在六個小扇區找到對應位置，小六邊形用[N=1，2，3……，n]表示，小六邊形的扇區用[M=1，2，3……，n]表示。

通過式（4）、式（5）以及對大扇區的劃分得：

[uA=uauB=32uβ-12uαuC=-32uβ-12uα ] （6）

假設，[S]與扇區[N]具有表1所對應的關系：

如圖4所示，為改進SVPWM算法開關狀態圖，假設三電平矢量在區域N=1，M=1的位置。

對該空間矢量進行矢量分解可得式（7）：

[VrefTs=V0T0+V1T1+V2T2] （7）

式中，[Ts]為開關周期，[Ts=T0+T1+T2]，[T0]，[T1]，[T2]為電壓矢量[V0]，[V1]，[V2]的作用時間。

然后在式（7）左右兩邊同時減去圖中所示的[Vbase]，則得到：

[V'refTs=V'0T0+V'1T1] （8）

其中[Vref]，[V'0]，[V'1]分別為優化后的電壓矢量，并且[V'0]=0，此時[Vref]為以[V1]為初始點的扇區內，如圖5所示，[Vref]在N=1的區域，完成三電平SVPWM空間矢量的優化。

按照此優化控制策略，對N=1，2，3，4，5，6進行優化，則得到不同區域電壓矢量修正值，如表2所示：

通過把參考電壓矢量的原點移動到小六邊形的原點，對參考電壓矢量進行表2所示的修正。然后對平移后參考電壓進行傳統的兩電算法計算，從而可以解決三電平APF設計復雜，難以應用等問題。

4 仿真與實驗

運用Matlab/Simulink建立仿真模型，假設三相交流電壓對稱，負載為整流器型非線性負載，三電平APF仿真參數如表3所示。

如圖6所示，為負載側所輸出的電流，存在大量的諧波畸變，當接入諧波檢測模塊之后，檢測到的諧波電流如圖7所示。

通過電流控制環節，輸出一個與諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，對負載電流進行補償，從而得到補償后的負載側電流，如圖8所示。

對存在諧波畸變的負載電流和補償后的電源電流進行頻譜分析，如9圖所示。

補償之前，負載電流的總諧波失真率（Total Harmonic Distortion， THD）為22.8%，電流中含有大量的諧波電流，波形發生了明顯的畸變。而在進行補償之后，電流THD均變為3.47%，發生了明顯的改善，滿足國家標準，因此，所設計的三電平APF具有良好的補償特性。

5 結語

本文通過提出傳統無源濾波器和兩電平有源電力濾波器存在的缺陷和問題，將三電平應用于有源電力濾波器，提出了一種基于瞬時無功功率的dq0諧波檢測方法，并通過改進SVPWM算法，設計一種三電平APF，成功的解決了三電平APF設計復雜，難以應用等問題，具有一定的理論和工程應用價值。實驗結果表明，所設計的三電平APF有良好的諧波抑制特性，具有廣闊的應用前景。在進一步的研究過程中，能夠采用并聯的方式，進一步提高有源電力濾波器的效率，滿足日益精細化的電力裝置的需求。

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