基于級聯多電平逆變技術的有源電力濾波器消除諧波

文/馬妍霞 李漢挺 孫堯

1 介紹

模塊化級聯H橋多電平逆變器是級聯逆變器拓撲之一。輸出多電平電壓波形可以減少合成電流中的諧波，從而減小所需輸出濾波器的級別規格。級聯多電平逆變器還具有其他優點，例如半導體開關上降低電壓，以及與其他轉換器拓撲結構相比具有更高的效率。上述情況是本文中研究基于模塊化級聯多電平逆變器下并聯混合型有源電力濾波器的技術背景。

非線性負載的增加導致了電力系統中的若干電能質量問題。由于這些類型的負載，電網電壓和電流變為非正弦曲線。傳統降低電流諧波失真的方法是無源濾波器，但是這個種方法是無效的解決方案，無法適應現代復雜的負載環境。有源電力濾波器已成為一項新的研究重點，利用電力電子技術作為一種新的改進解決方案。混合有源電力濾波器有效地平滑改進了無源濾波器的問題，并且它還具備了有源電力濾波器解決方案優勢，可以確保成本并有效的進行諧波補償。

在[2-10,13]中引入了幾種混合有源濾波器（HAPF）拓撲結構，用于無功功率和諧波電流濾波和治理。最常見的拓撲結構是分流HAPF（SHAPF）[4-12]，它由一個相互串聯的有源濾波器（APF）和一個無源濾波器組成，HAPF [3]系列是一個并聯無源濾波器和一個串聯APF的組合系統。

2 選擇性諧波參考電流產生

選擇性諧波消除技術一般基于反諧波注入（第3階次，第5階次，第7階次，第9階次，第11階次和第13階次）的思想，利用三相電壓源逆變器開關來實現。在本文中，系統的無源濾波器部分在5次階諧波頻率上進行調諧。此外其他的諧波階次由并聯混合型有源電力濾波器（SHAPF）補償諧波。但是系統中仍有少量的7階次、19階次、11階次和13階次諧波無法消除。因此，可以FFT方法來消除這種諧波。如圖1表示基于FFT的選擇性諧波消除。消除步驟如下：

表1

圖1

（1）通過FFT提取第7次，第9次，第11次和第13次階諧波。

（2）通過使用“正弦”操作產生三相選擇諧波參考電流。

3 多級逆變器控制塊

在本文提出的系統中，使用七級模塊化級聯多電平逆變器。級聯多電平逆變器包括串聯H橋逆變器。級聯多電平逆變器在結構上沒有直流電路電壓不平衡的問題。因此，級聯多電平逆變器已被廣泛研究并用于靜態無功補償器（SVC），電力調節器，穩壓器和混合有源電力濾波器領域。與二極管鉗位或電容鉗位逆變器相比，級聯逆變器不需要任何電壓鉗位二極管或電壓平衡電容器。表1為七個級別級聯多級逆變器的開關組合狀態表：

最終參考電流包括三相諧波參考電流信號，三相選擇諧波參考電流信號，三相無功參考電流信號和直流級聯電路控制信號。通過這些信號作為綜合參考信息。然后，將參考信號與載波信號進行比較以產生變換信號。

圖2

4 仿真結果

模擬研究使用PSCAD / EMTDC仿真系統運行三次對比，旨在評估不平衡/失真網格下，使用并聯混合型有源電力濾波器（SHAPF）的控制策略的有效性和正確性。無源濾波器調諧到第5階次，IGBT的控制信號通過脈沖產生寬度調制發生器，其載波幅度和頻率分別為±1和10 kHz。如圖2所示，在平衡電網電壓下的三相電源電壓，負載電流，并聯混合型有源電力濾波器（SHAPF）產生的電流和源電流仿真示意圖。仿真結果驗證了該并聯混合型有源電力濾波器（SHAPF）諧波補償的性能是令人滿意的。