一种三电平有源电力滤波器的研制

张一鸣 倪福银 沃松林

摘 要：随着经济社会的快速发展，非线性负载被广泛应用于各类电气设备之中，带来了大量的谐波干扰，为此，研究有源电力滤波器对谐波抑制具有重要意义。设计一种三电平有源电力滤波器，建立了中点钳位型三电平逆变器拓扑结构，采用基于瞬时无功功率的dq0算法对有源电力滤波器进行谐波检测，在传统的空间矢量脉宽调制控制算法基础上，进一步优化空间矢量脉宽调制控制策略，并将其应用于三电平有源电力滤波器。通过建立仿真模型进行实验，结果表明，该控制策略具有良好的谐波电流抑制和补偿能力，可应用于配电网的谐波补偿，具有较好的工程应用价值。

关键词：三电平；有源滤波器；谐波抑制；dq0；SVPWM

中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2017）02-0045-06

21世纪以来，电力电子技术得到飞速的发展，非线性负载不断应用于各类电气设备之中，对电力系统的稳定和安全带来了严重挑战。[1-3]因此，改善电能质量，减小非线性负载带来的谐波电流对保证工业生产具有重大意义。

当前，由于传统的无源滤波器具备维护便利、成本低廉等优点，在电网中得到了普遍的应用[4]，但是无源滤波器的谐波滤除率一般只有80%，并只能对特定次数谐波进行滤除和补偿，动态补偿特性较差，所以学术界提出有源电力滤波（Active Power Filter， APF）。[5-7]又因为传统的两电平有源电力滤波器不能适应高压大功率领域的要求，所以在这种环境下，三电平有源电力滤波器在谐波抑制和无功功率补偿领域得到了推广和应用。[8-13]

谐波电流检测与控制的准确性与快速性决定了有源电力滤波器的性能。目前，谐波检测方案主要有几下几种：一是基于快速傅立叶变换的检测方法，研究表明，该方法具有检测精度高和响应速度快等特点[14]；二是将傅立叶变换与小波变换相结合，实验仿真验证了小波分析具有时域和频域的双重分辨率，能弥补傅立叶变换的缺点[15]；三是提出基于瞬時无功功率的检测方案[16]；四是提出基于自适应原理的改进型FBD谐波电流检测算法，增强了负载电流突变时的动态响应特性，针对谐波电流进行了有效的抑制。[17]

尽管现阶段学术界提出许多谐波抑制技术，但在三电平APF设计中存在许多难点，谐波电流的检测与补偿算法设计过程过于复杂，难以应用，因此在这种背景下，提出一种三电平有源电力滤波器拓扑结构，以中点钳位（neutral Point Clamped， NPC）三电平逆变器作为主回路，运用基于瞬时无功功率理论的dq0谐波检测方法，并对空间矢量脉宽调调制（Space Vector Pulse Width Modulation， SVPWM）算法实现进行改进，从而让三电平有源电力滤波器具有更好的滤波功效和更快的补偿速度，使得APF具有更广阔的适用范围，实现对电能质量问题的综合治理。

1 三电平APF拓扑结构方案

中点钳位型三电平逆变器拓扑结构如图1所示，每一相开关状态分为0，1，-1，每一电平又具有三相，因此，三电平逆变器共有27种开关状态。

图1中，直流侧分别由电容相连，中点与每个桥臂的辅助二极管相联，中点电位受每相输出电流的影响。[Udc]为直流侧电压，当两个电容上的电压相等并[Udc1=Udc2=Udc/2]时，主开关管承受[Udc/2]电压。

2 基于dq0的有源电力滤波器谐波检测技术

如图2所示，采用基于瞬时无功功率的dq0谐波电流检测控制策略，在低通滤波器（Low Pass Filter， LPF）之后加入PI反馈环节，从而得到输入电流的谐波分量。

图2中，[sin（ωt）]，[cos（ωt）]为电网电压通过锁相环所测得的正弦信号与余弦信号。首先将三相负载电流[ia]，[ib]和[ic]过[C32]变换得到[iα]和[iβ]，与经过锁相环得到的正弦信号计算出[ip]、[iq]，再经LPF低通滤波得出[ip]、[iq]的基波正序分量[ipf]、[iqf]，经过P反馈控制，由[C]与[C23]运算得出三相电流基波分量[iaf]、[ibf]、[icf]，最后分别将[iaf]、[ibf]、[icf]与[ia]、[ib]、[ic]相减得到补偿指令电流信号[iah]、[ibh]、[ich]。图中：

[C=sinωt -cosωt-cosωt -sinωt] （1）

[C32=231 -12 -120 32 32] （2）

[C23=231 0 -12 32-12 -32] （3）

在三电平有源电力滤波器设计过程中，直流侧电压[Udc]需维持稳定。在理想状态下，APF工作时与电网侧不存在能量交换，但元件和连线之间存在诸多因素干扰，因此，提出将扰动造成的误差与原先的电压[Udc]数值比较，使用PI算法进行误差调整，与基波有功分量叠加，得到的指令电流中存在补偿量，能够维持直流侧电压的稳定。

3 三电平滤波器谐波电流控制策略的研究

传统的三电平SVPWM调制算法具有计算复杂等固有缺陷，实际工程中很难运用，因此，为了得到更高效的调制算法，提出一种优化的SVPWM算法。

针对三电平SWPWM矢量进行优化，建立电压电流变换的空间坐标系。一电压矢量[U]在坐标轴上分解为：

[usα=uαusβ=33uβ-33uα] （4）

假设三相电压：

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

如图3所示，观察空间矢量，三电平空间矢量由六个小型扇区组成，每一个独立区域都可等效为单独的两电平矢量。针对每一个参考电压，都能够在六个小扇区找到对应位置，小六边形用[N=1，2，3……，n]表示，小六边形的扇区用[M=1，2，3……，n]表示。

通过式（4）、式（5）以及对大扇区的划分得：

[uA=uauB=32uβ-12uαuC=-32uβ-12uα ] （6）

假设，[S]与扇区[N]具有表1所对应的关系：

如图4所示，为改进SVPWM算法开关状态图，假设三电平矢量在区域N=1，M=1的位置。

对该空间矢量进行矢量分解可得式（7）：

[VrefTs=V0T0+V1T1+V2T2] （7）

式中，[Ts]为开关周期，[Ts=T0+T1+T2]，[T0]，[T1]，[T2]为电压矢量[V0]，[V1]，[V2]的作用时间。

然后在式（7）左右两边同时减去图中所示的[Vbase]，则得到：

[V'refTs=V'0T0+V'1T1] （8）

其中[Vref]，[V'0]，[V'1]分别为优化后的电压矢量，并且[V'0]=0，此时[Vref]为以[V1]为初始点的扇区内，如图5所示，[Vref]在N=1的区域，完成三电平SVPWM空间矢量的优化。

按照此优化控制策略，对N=1，2，3，4，5，6进行优化，则得到不同区域电压矢量修正值，如表2所示：

通过把参考电压矢量的原点移动到小六边形的原点，对参考电压矢量进行表2所示的修正。然后对平移后参考电压进行传统的两电算法计算，从而可以解决三电平APF设计复杂，难以应用等问题。

4 仿真与实验

运用Matlab/Simulink建立仿真模型，假设三相交流电压对称，负载为整流器型非线性负载，三电平APF仿真参数如表3所示。

如图6所示，为负载侧所输出的电流，存在大量的谐波畸变，当接入谐波检测模块之后，检测到的谐波电流如图7所示。

通过电流控制环节，输出一个与谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，对负载电流进行补偿，从而得到补偿后的负载侧电流，如图8所示。

对存在谐波畸变的负载电流和补偿后的电源电流进行频谱分析，如9图所示。

补偿之前，负载电流的总谐波失真率（Total Harmonic Distortion， THD）为22.8%，电流中含有大量的谐波电流，波形发生了明显的畸变。而在进行补偿之后，电流THD均变为3.47%，发生了明显的改善，满足国家标准，因此，所设计的三电平APF具有良好的补偿特性。

5 结语

本文通过提出传统无源滤波器和两电平有源电力滤波器存在的缺陷和问题，将三电平应用于有源电力滤波器，提出了一种基于瞬时无功功率的dq0谐波检测方法，并通过改进SVPWM算法，设计一种三电平APF，成功的解决了三电平APF设计复杂，难以应用等问题，具有一定的理论和工程应用价值。实验结果表明，所设计的三电平APF有良好的谐波抑制特性，具有广阔的应用前景。在进一步的研究过程中，能够采用并联的方式，进一步提高有源电力滤波器的效率，满足日益精细化的电力装置的需求。

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