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(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，非線性負(fù)載被廣泛應(yīng)用于各類電氣設(shè)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(duì)諧波抑制具有重要意義。設(shè)計(jì)一種三電平有源電力濾波器，建立了中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率的dq0算法對(duì)有源電力濾波器進(jìn)行諧波檢測(cè)，在傳統(tǒng)的空間矢量脈寬調(diào)制控制算法基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化空間矢量脈寬調(diào)制控制策略，并將其應(yīng)用于三電平有源電力濾波器。通過建立仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該控制策略具有良好的諧波電流抑制和補(bǔ)償能力，可應(yīng)用于配電網(wǎng)的諧波補(bǔ)償，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：三電平；有源濾波器；諧波抑制；dq0；SVPWM

中圖分類號(hào)：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-7394（2017）02-0045-06

21世紀(jì)以來，電力電子技術(shù)得到飛速的發(fā)展，非線性負(fù)載不斷應(yīng)用于各類電氣設(shè)備之中，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全帶來了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。[1-3]因此，改善電能質(zhì)量，減小非線性負(fù)載帶來的諧波電流對(duì)保證工業(yè)生產(chǎn)具有重大意義。

當(dāng)前，由于傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器具備維護(hù)便利、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)中得到了普遍的應(yīng)用[4]，但是無(wú)源濾波器的諧波濾除率一般只有80%，并只能對(duì)特定次數(shù)諧波進(jìn)行濾除和補(bǔ)償，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償特性較差，所以學(xué)術(shù)界提出有源電力濾波（Active Power Filter， APF）。[5-7]又因?yàn)閭鹘y(tǒng)的兩電平有源電力濾波器不能適應(yīng)高壓大功率領(lǐng)域的要求，所以在這種環(huán)境下，三電平有源電力濾波器在諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償領(lǐng)域得到了推廣和應(yīng)用。[8-13]

諧波電流檢測(cè)與控制的準(zhǔn)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(cè)方案主要有幾下幾種：一是基于快速傅立葉變換的檢測(cè)方法，研究表明，該方法具有檢測(cè)精度高和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)[14]；二是將傅立葉變換與小波變換相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證了小波分析具有時(shí)域和頻域的雙重分辨率，能彌補(bǔ)傅立葉變換的缺點(diǎn)[15]；三是提出基于瞬時(shí)無(wú)功功率的檢測(cè)方案[16]；四是提出基于自適應(yīng)原理的改進(jìn)型FBD諧波電流檢測(cè)算法，增強(qiáng)了負(fù)載電流突變時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，針對(duì)諧波電流進(jìn)行了有效的抑制。[17]

盡管現(xiàn)階段學(xué)術(shù)界提出許多諧波抑制技術(shù)，但在三電平APF設(shè)計(jì)中存在許多難點(diǎn)，諧波電流的檢測(cè)與補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)過程過于復(fù)雜，難以應(yīng)用，因此在這種背景下，提出一種三電平有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以中點(diǎn)鉗位（neutral Point Clamped， NPC）三電平逆變器作為主回路，運(yùn)用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的dq0諧波檢測(cè)方法，并對(duì)空間矢量脈寬調(diào)調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation， SVPWM）算法實(shí)現(xiàn)進(jìn)行改進(jìn)，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(bǔ)償速度，使得APF具有更廣闊的適用范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量問題的綜合治理。

1 三電平APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案

中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，每一相開關(guān)狀態(tài)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(guān)狀態(tài)。

圖1中，直流側(cè)分別由電容相連，中點(diǎn)與每個(gè)橋臂的輔助二極管相聯(lián)，中點(diǎn)電位受每相輸出電流的影響。[Udc]為直流側(cè)電壓，當(dāng)兩個(gè)電容上的電壓相等并[Udc1=Udc2=Udc/2]時(shí)，主開關(guān)管承受[Udc/2]電壓。

2 基于dq0的有源電力濾波器諧波檢測(cè)技術(shù)

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

圖2中，[sin（ωt）]，[cos（ωt）]為電網(wǎng)電壓通過鎖相環(huán)所測(cè)得的正弦信號(hào)與余弦信號(hào)。首先將三相負(fù)載電流[ia]，[ib]和[ic]過[C32]變換得到[iα]和[iβ]，與經(jīng)過鎖相環(huán)得到的正弦信號(hào)計(jì)算出[ip]、[iq]，再經(jīng)LPF低通濾波得出[ip]、[iq]的基波正序分量[ipf]、[iqf]，經(jīng)過P反饋控制，由[C]與[C23]運(yùn)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(bǔ)償指令電流信號(hào)[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(shè)計(jì)過程中，直流側(cè)電壓[Udc]需維持穩(wěn)定。在理想狀態(tài)下，APF工作時(shí)與電網(wǎng)側(cè)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(dòng)造成的誤差與原先的電壓[Udc]數(shù)值比較，使用PI算法進(jìn)行誤差調(diào)整，與基波有功分量疊加，得到的指令電流中存在補(bǔ)償量，能夠維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。

3 三電平濾波器諧波電流控制策略的研究

傳統(tǒng)的三電平SVPWM調(diào)制算法具有計(jì)算復(fù)雜等固有缺陷，實(shí)際工程中很難運(yùn)用，因此，為了得到更高效的調(diào)制算法，提出一種優(yōu)化的SVPWM算法。

針對(duì)三電平SWPWM矢量進(jìn)行優(yōu)化，建立電壓電流變換的空間坐標(biāo)系。一電壓矢量[U]在坐標(biāo)軸上分解為：

[usα=uαusβ=33uβ-33uα] （4）

假設(shè)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(gè)小型扇區(qū)組成，每一個(gè)獨(dú)立區(qū)域都可等效為單獨(dú)的兩電平矢量。針對(duì)每一個(gè)參考電壓，都能夠在六個(gè)小扇區(qū)找到對(duì)應(yīng)位置，小六邊形用[N=1，2，3……，n]表示，小六邊形的扇區(qū)用[M=1，2，3……，n]表示。

通過式（4）、式（5）以及對(duì)大扇區(qū)的劃分得：

[uA=uauB=32uβ-12uαuC=-32uβ-12uα ] （6）

假設(shè)，[S]與扇區(qū)[N]具有表1所對(duì)應(yīng)的關(guān)系：

如圖4所示，為改進(jìn)SVPWM算法開關(guān)狀態(tài)圖，假設(shè)三電平矢量在區(qū)域N=1，M=1的位置。

對(duì)該空間矢量進(jìn)行矢量分解可得式（7）：

[VrefTs=V0T0+V1T1+V2T2] （7）

式中，[Ts]為開關(guān)周期，[Ts=T0+T1+T2]，[T0]，[T1]，[T2]為電壓矢量[V0]，[V1]，[V2]的作用時(shí)間。

然后在式（7）左右兩邊同時(shí)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(yōu)化后的電壓矢量，并且[V'0]=0，此時(shí)[Vref]為以[V1]為初始點(diǎn)的扇區(qū)內(nèi)，如圖5所示，[Vref]在N=1的區(qū)域，完成三電平SVPWM空間矢量的優(yōu)化。

按照此優(yōu)化控制策略，對(duì)N=1，2，3，4，5，6進(jìn)行優(yōu)化，則得到不同區(qū)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(diǎn)移動(dòng)到小六邊形的原點(diǎn)，對(duì)參考電壓矢量進(jìn)行表2所示的修正。然后對(duì)平移后參考電壓進(jìn)行傳統(tǒng)的兩電算法計(jì)算，從而可以解決三電平APF設(shè)計(jì)復(fù)雜，難以應(yīng)用等問題。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

運(yùn)用Matlab/Simulink建立仿真模型，假設(shè)三相交流電壓對(duì)稱，負(fù)載為整流器型非線性負(fù)載，三電平APF仿真參數(shù)如表3所示。

如圖6所示，為負(fù)載側(cè)所輸出的電流，存在大量的諧波畸變，當(dāng)接入諧波檢測(cè)模塊之后，檢測(cè)到的諧波電流如圖7所示。

通過電流控制環(huán)節(jié)，輸出一個(gè)與諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到補(bǔ)償后的負(fù)載側(cè)電流，如圖8所示。

對(duì)存在諧波畸變的負(fù)載電流和補(bǔ)償后的電源電流進(jìn)行頻譜分析，如9圖所示。

補(bǔ)償之前，負(fù)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(fā)生了明顯的畸變。而在進(jìn)行補(bǔ)償之后，電流THD均變?yōu)?.47%，發(fā)生了明顯的改善，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此，所設(shè)計(jì)的三電平APF具有良好的補(bǔ)償特性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過提出傳統(tǒng)無(wú)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(yīng)用于有源電力濾波器，提出了一種基于瞬時(shí)無(wú)功功率的dq0諧波檢測(cè)方法，并通過改進(jìn)SVPWM算法，設(shè)計(jì)一種三電平APF，成功的解決了三電平APF設(shè)計(jì)復(fù)雜，難以應(yīng)用等問題，具有一定的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的三電平APF有良好的諧波抑制特性，具有廣闊的應(yīng)用前景。在進(jìn)一步的研究過程中，能夠采用并聯(lián)的方式，進(jìn)一步提高有源電力濾波器的效率，滿足日益精細(xì)化的電力裝置的需求。

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