三电平四桥臂有源滤波器主电路参数设计

王 艳 冯晟伟

（1.昆明学院，昆明 650032；2.昆明地铁运营有限公司，昆明 650032）

并联型有源滤波器（Active Power Filter，APF）能对频率和幅值都变化的谐波跟踪补偿，补偿效果良好。就综合补偿能力而言，在较常见的三单相全桥结构、电容分裂式结构和四桥臂结构这3种四线制APF结构中，四桥臂结构是最优的选择[1-2]。多电平技术可使APF具有更高的电压等级和装置容量，滤波效果更好。本文以三电平四桥臂APF做为研究对象，对相关参数的选取进行介绍[3-4]。图1为三电平四桥臂APF系统组成。

图1 三电平四桥臂APF系统结构

1 功率开关器件IGBT基本参数计算

1.1 IGBT额定电压

IGBT模块的额定电压与APF的输入电压密切相关。输入电压经整流和滤波后，直流母线电压的最大值是确定IGBT模块的额定电压的基本参数。在开关工作条件下，IGBT模块的额定电压一般要求高于直流母线电压最大值的2倍，并据此选择IGBT模块的电压等级。

1.2 IGBT额定电流

因为APF需要补偿高频谐波信号，所以要求IGBT可以承受较高的开关频率。考虑到流过IGBT的电流及散热，有工程经验公式：

式中：PAPF为APF设计容量；OL为过载倍数，一般取OL=2；λ为电流脉动因数（一般取λ=120%）；Vac为三相交流线电压有效值；PF为功率因数；η为滤波器效率（一般取η=0.9）。

根据APF的设计容量和输入电压，将各个系数带入式（1），可得滤波器正常工作时的峰值电流Ic。考虑到工作时的电压、电流冲击，IGBT的参数选择应留有充足的裕量。IGBT模块的额定电流应选取为2～3倍的Ic（峰值）。

1.3 APF开关频率选择

频率调制比（器件的开关频率与最高次谐波频率之比）低于7时，会造成邻近谱瓣互相重叠，造成波形明显失真。因此，应根据APF对谐波的补偿要求和IGBT器件的电压等级、电流水平及散热要求，综合考虑主电路成本，选择合适的开关频率，并据此选择不同系列的IGBT模块。

综上所述，对于三电平四桥臂APF，在电压等级小于1 700 V的IGBT模块中，开关频率的典型值一般为10 kHz。

2 直流侧电压的设计和电容容量参数设计

直流侧电容的作用是为变流器提供直流电压。直流侧电压Vdc应比交流侧相电压峰值至少大1.5倍。Vdc决定了APF的补偿能力，总谐波电流的最大变化斜率越大，对Vdc的要求越高。

直流侧电容为储能元件。能量在负载与APF之间进行交换。对于非线性负载，谐波电流所产生的瞬时功率不为零，但一个周期的平均值为零。当APF对谐波电流进行补偿时，负载和APF之间有能量交换，需要直流侧电容提供能量交换进行缓冲。如果忽略APF的损耗，直流侧电容只是周期性地吸收和释放能量。因此，负载与APF交换的最大能量∆W为：

式中，PAPF为APF额定容量，fs为APF开关频率。

电容器缓冲的能量可以用直流侧电压的波动来表示。设APF滤波器直流侧电压为Vdc，直流侧电压的波动系数为α（要求不大于5%），则有：

从能量角度考虑，在一个Ts内，APF有源滤波器的最大能量交换为：

由式（2）、式（3）和式（4），可以得出电容的计算公式为：

实际应用中，为保证APF的性能，必须维持其直流侧的电压基本不变。实际应用中，往往将直流侧的电容裕量取得较大，因为APF直流侧更关注稳定性，并无严格的动态性能要求。

3 连接电抗器参数设计

电抗器电感值L是一个重要参数，直接影响PAF的性能和可控性。本文通过电抗器接入系统，其中电抗器电感值可确定为[5]：

式中，Vdc为直流侧电压，fs为APF开关频率，ω为基波角频率，Imax为基波相电流幅，I为输出超调电流。

在确定直流侧电压大小的情况下，基于实验，L的选取满足Lmin＜L＜Lmin。在此范围内，结合控制策略和调制算法，观察电流响应和纹波，折中考虑电流响应速度和电流纹波，同时考虑电感价格，以实现最优配置。

4 设计举例

以设计一台10 kVA三电平四桥臂APF的主电路为例，计算和选取APF主电路参数。该装置的主要技术要求：额定容量10 kVA；额定电压90 V/50 Hz；可滤除的21次及以下的各次谐波，并可抑制零序电流。

按照额定容量10 kVA、额定电压90 V进行设计，并将各个系数带入式（1），可得：

IGBT正常工作时的峰值电流，选取2～3倍电流的裕量。选择英飞凌公司的IGBT模块，型号为FF600R07ME4_B11。它的电压等级为600 V，工作电流600 A。

由于需滤除21次及以下的各次谐波，故APF开关频率选为10 kHz。

直流母线电压应大于1.5Vac，故选择Vdc=200 V。

将各个系数带入式（5），可得：

考虑一定的余量，取C=1 000 μF。对于本文设计的APF，由于是四桥臂，直流侧电容器为两个相等大小的电容串联而成，因此每只电容应取2 000 μF。

将各个参数带入式（6），可分别求得：

折中后，选取L=0.8 mH。

5 实验结果

为验证提出的参数选取方法的正确性，搭建实验平台，具体的实验参数如下：

（1）电源线电压90 V/50 Hz，系统阻抗忽略不计；

（2）APF侧进线电感L=0.8 mH，直流母线电压Vdc=200 V，电容C=2 000 μF。

（3）非线性负载选用三相不可控整流负载，加上一个单相不可控整流负载，参数均为16 Ω、1 mH。

补偿前A相电流畸变比较厉害，而补偿后A相电流基本上是正弦波，补偿效果很好。由图2可知，直流侧母线电压和中点电位得到了很好的控制。实验结果表明，本文的主电路参数选择方法能够满足设计要求。

图2 APF直流侧总电压及上下母线电压

6 结语

根据所选择的参数，搭建样机并进行系统实验，实验结果验证本文的主电路参数选择方法在三电平四桥臂APF系统中应用具有可行性。