基于三电平的有源电力滤波器研究与仿真

袁瑞雪,陈保平,燕 延,王艳姣，张守梁

(石家庄铁道大学 电气与电子工程学院，河北 石家庄 050043)

随着现代电力电子技术的不断发展，越来越多的非线性负载在工业以及日常生活中得到了大量的应用。随之产生的大量谐波对电网也产生了严重影响，电网中的设备难以正常运行。应用于谐波补偿的有源滤波器的研究得到了很多学者的关注[1-6]。与此同时，多电平技术也在不断发展，相比于传统的两电平有源滤波器，三电平有源滤波器以其独特的优势受到广泛的关注和研究[7-10]，二极管箱位式三电平逆变电路拓扑结构最受学者们的青睐，三电平有源滤波器的控制策略较多，主要分为两大类，一类是基于三角波的正弦脉宽调制方法，这种方法的优点就是算法比较简单，缺点是直流电压利用率比较低和输出端电压的波形质量不高。还有一种是空间矢量的脉宽调制方式，空间矢量脉宽的调制方法的优点是直接对输出电压矢量控制，控制精度高。该设计采用空间矢量的脉宽调制方式，针对该方法的算法进行研究改进。

1 有源电力滤波器的基本工作原理

电力滤波分为有源和无源两种，这两种的工作原理完全不同。APF是由谐波电流检测电路和谐波电流补偿电路两部分组成。有源电力滤波器的基本工作原理是：通过谐波检测电路检测出电网中的包含谐波的负载电流，从中提取出谐波电流，然后经过指令运算电路得到补偿电流的指令控制信号，该信号通过补偿电流跟踪控制电路，产生驱动逆变器 IGBT 的控制信号，得到和原来电网中谐波大小相等，方向相反的补偿电流，将补偿电流返回电网，抵消原来的谐波，使电网输出理想的正弦波。图1为并联型有源电力滤波器的系统构成，其中iL为负载电流，is为谐波补偿指令电流，ic为进入电网的补偿电流。

2 谐波检测算法

基于模拟陷波器或带通滤波器的检测算法、基于Fryze的时域分析法、基于频域分析的快速傅里叶变换方法、 基于瞬时无功功率理论的检测方法、自适应检测法等。采用基于瞬时无功理论的d-q检测方法，将采集到的三相电流进行坐标变换，由三相静止坐标轴 a-b-c 变换到α-β-0 两相静止坐标轴中。然后通过低通滤波器滤除谐波分量，得到在静止坐标轴 a-b-c 中基波正序分量对应的直流分量，再将其进行坐标变换，即Clarke 反变换，之后用原三相电网电流减去反变换得到的结果，这样就得到了谐波电流。算法原理图如图2所示。

3 三电平有源电力滤波器的拓扑结构

目前实际应用的中高压大容量三电平逆变器拓扑结构主要有三种类型：二极管中点钳位型；飞跨电容型；直流电源隔离的单元逆变桥串联式。三电平有源电力滤波器主电路拓扑结构选用的是二极管中点钳位型，如图3所示。

理想的三电平逆变电路可以简化为一个与直流侧相通的单刀三掷开关，每一相桥臂上有4个IGBT，它们同时工作时，要求两两导通，二极管中点N为零电位参考点。以A相为例，Ta1和Ta2导通，Ta3和Ta4关断时，输出0.5Udc；当Ta2和Ta3导通，Ta1和Ta4关断时，输出为0；当Ta3和Ta4导通，Ta1和Ta2关断时，输出为-0.5Udc。分别表示为1、0、-1三种开关状态。因为每个桥臂上可以输出三种电平，故而称之为三电平。经分析可知，Ta1和Ta3导通状态相反，Ta2和Ta4导通状态相反，且Ta1和Ta4不能同时导通。还需注意的是，三电平逆变器在运行过程中，各功率开关器件处于不断切换的过程，但应避免的是1状态和-1状态之间直接进行切换，造成直通短路。三相的输出电压可以由公式(1)表示。

UAN=0.5SaUdc
UBN=0.5SbUdc
UCN=0.5ScUdc

(1)

式中，S代表开关状态，Udc为直流侧电压(现在假设直流侧中点电压无偏移)。通过公式(1)可以直观的看出三电平逆变电路的输出状态。易知，三个桥臂一共有33=27种开关状态。根据基尔霍夫定律以及有源滤波器输出电流电压的关系，可以得到电压空间矢量由公式(2)表示。

(2)

在αβ空间平面上，27种开关状态对应27个空间矢量。由于由于同一电压矢量可以对应不同的开关状态，所以实际上27种开关仅对应着19个空间矢量。如图4所示。这些矢量被称为三电平逆变电路的基本空间矢量，简称基本矢量。

4 三电平有源电力滤波器的调制策略

选用的调制策略是空间矢量脉宽调制(Space Vector pulse width Modulation)技术。

4.1 基本空间矢量的选择

19个基本空间矢量在αβ平面内组成了一个正六边形，任何一个参考电压均可以由19个基本空间矢量合成。SVPWM控制方法就是利用电压空间矢量实现PWM的控制。传统的三电平 SVPWM 控制方法是以两电平 SVPWM控制算法为基础。在选择基本空间矢量时，先进行大扇区判断，即将基本空间矢量根据矢量的幅值和相角分为6个大的扇形区，然后再把每一个扇区分成 4 个小三角形，进行小区域的选择，之后分别求出参考电压在每个小三角形中各个有效矢量作用的时间及顺序，确定每个开关状态。利用九条直线将24个小三角形区分出来。图5为参考电压矢量区域分布图，图中含有3种不同颜色的直线，共9条。每种颜色的直线斜率一样，每条直线均可以用具体的表达式表示出来。

三条红线与横轴平行，从上到下依次为：

将其标为直线1、直线2、直线3。

将其标为直线4、直线5、直线6。

将其标为直线7、直线8、直线9。

现按照直线对所有的基本矢量划分区域。直线1上方的区域称之为1区，直线1与直线2之间的区域称之为2区，直线2与直线3之间的区域称之为3区，直线3下方的区域称之为4区。同理，直线4左侧的区域称之为40区，直线4与直线5之间的区域称之为30区，直线5与直线6之间的区域称之为20区，直线6右侧的区域称之为10区。直线1左侧的区域称之为100区，直线7与直线8之间的区域称之为200区，直线8与直线9之间的区域称之为300区，直线9右侧的区域称之为400区。图6是对24个小三角形进行标号。

假设参考电压处于标号为1的小三角形内，那么它处于上述的2区、20区、300区的交集处。故可以根据直线判断出参考电压所在的空间位置，选定合成参考电压的基本空间矢量。三电平NPC逆变器的SVPWM算法也基于伏秒平衡原理，即：参考电压矢量与采样周期的乘积，等于所选定空间矢量与其作用时间乘积的累加和。每个基本矢量的作用时间可以通过计算获得。

在对小三角形进行标号时，1、7、13、19区可以组成传统判别方法中的第一扇区，每个基本矢量的作用时间容易确定，2到6区的作用时间可以类比于1区，以此类推，其余区域的作用时间也可根据第一扇区每个小三角形中的作用时间确定。

4.2 开关顺序

在三电平逆变器的19个基本矢量中，不同幅值的矢量对应的开关状态对中点电压造成不同的影响。长矢量和零矢量对中点电压无影响。中矢量和短矢量的开关状态对应至少有一相输出和零母线相连，并和正负母线形成电流回路，从而导致两个电容的充放电，使中点电压发生波动。

利用三电平逆变器开关状态的合理选择，来实现电容中点电压的动态平衡控制。是为了尽量减小器件的开关频率，需要满足下列两个条件:

1)从一种开关状态切换到另一种开关状态的过程中，仅涉及逆变器某一桥臂的两个开关器件：一个导通，另一个关断;

2)参考电压矢量在矢量图中从一个区域中转移到另一个区域时，没有或者只有最少数量的开关器件动作。

5 实验分析

5.1 实验条件选择

三电平有源电力滤波器在MATLAB的simulink模块中进行总体仿真分析，三电平有源电力滤波器补偿容量为100 kVA，经过对其拓扑结构建立的数学模型进行分析计算，以及在仿真过程中的调试，最终逆变电路各个参数选择如下：

1)电网相电压220 V，频率50 Hz；2)逆变器开关频率为10 kHz；3)直流侧电压800 V；

4)直流侧储能电容选择3 600 μF，耐压值为450 V；5)APF的交流侧输出电感的取值为1 mH。

5.2 实验结果分析

在simulink中搭建模型，对其仿真，补偿前的电网侧电流其中一相波形如图7所示，左侧图为检测到的负载电流，右图是对其进行傅里叶(FFT)分析，从图中可以知道补偿前电网侧电流的总谐波畸变率(THD)为21.77%。

在投入APF之后，补偿后的电网侧电流其中一相波形如图8所示，通过对补偿前后波形图的分析比较，电网侧电流的谐波畸变率明显降低，电流接近于正弦波。可见，该有源滤波器补偿效果较好，说明该有源滤波器对谐波治理是有效且可行的。

6 结论

三电平有源电力滤波器对电网的谐波有有效的补偿，可以达到国家标准。电流控制算法，采用空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)，利用九条直线判断参考电压矢量的在坐标图中的位置。这种方法原理清楚简单，无需对参考矢量的相位进行判断，仅靠幅值就可以进行精确的判断，但是计算量相对于传统的扇区判断并没有减少。

参考文献：

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