基于三電平的有源電力濾波器研究與仿真

袁瑞雪,陳保平,燕 延,王艷姣，張守梁

(石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院，河北 石家莊 050043)

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的非線性負載在工業(yè)以及日常生活中得到了大量的應用。隨之產(chǎn)生的大量諧波對電網(wǎng)也產(chǎn)生了嚴重影響，電網(wǎng)中的設備難以正常運行。應用于諧波補償?shù)挠性礊V波器的研究得到了很多學者的關注[1-6]。與此同時，多電平技術(shù)也在不斷發(fā)展，相比于傳統(tǒng)的兩電平有源濾波器，三電平有源濾波器以其獨特的優(yōu)勢受到廣泛的關注和研究[7-10]，二極管箱位式三電平逆變電路拓撲結(jié)構(gòu)最受學者們的青睞，三電平有源濾波器的控制策略較多，主要分為兩大類，一類是基于三角波的正弦脈寬調(diào)制方法，這種方法的優(yōu)點就是算法比較簡單，缺點是直流電壓利用率比較低和輸出端電壓的波形質(zhì)量不高。還有一種是空間矢量的脈寬調(diào)制方式，空間矢量脈寬的調(diào)制方法的優(yōu)點是直接對輸出電壓矢量控制，控制精度高。該設計采用空間矢量的脈寬調(diào)制方式，針對該方法的算法進行研究改進。

1 有源電力濾波器的基本工作原理

電力濾波分為有源和無源兩種，這兩種的工作原理完全不同。APF是由諧波電流檢測電路和諧波電流補償電路兩部分組成。有源電力濾波器的基本工作原理是：通過諧波檢測電路檢測出電網(wǎng)中的包含諧波的負載電流，從中提取出諧波電流，然后經(jīng)過指令運算電路得到補償電流的指令控制信號，該信號通過補償電流跟蹤控制電路，產(chǎn)生驅(qū)動逆變器 IGBT 的控制信號，得到和原來電網(wǎng)中諧波大小相等，方向相反的補償電流，將補償電流返回電網(wǎng)，抵消原來的諧波，使電網(wǎng)輸出理想的正弦波。圖1為并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成，其中iL為負載電流，is為諧波補償指令電流，ic為進入電網(wǎng)的補償電流。

2 諧波檢測算法

基于模擬陷波器或帶通濾波器的檢測算法、基于Fryze的時域分析法、基于頻域分析的快速傅里葉變換方法、 基于瞬時無功功率理論的檢測方法、自適應檢測法等。采用基于瞬時無功理論的d-q檢測方法，將采集到的三相電流進行坐標變換，由三相靜止坐標軸 a-b-c 變換到α-β-0 兩相靜止坐標軸中。然后通過低通濾波器濾除諧波分量，得到在靜止坐標軸 a-b-c 中基波正序分量對應的直流分量，再將其進行坐標變換，即Clarke 反變換，之后用原三相電網(wǎng)電流減去反變換得到的結(jié)果，這樣就得到了諧波電流。算法原理圖如圖2所示。

3 三電平有源電力濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)

目前實際應用的中高壓大容量三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)主要有三種類型：二極管中點鉗位型；飛跨電容型；直流電源隔離的單元逆變橋串聯(lián)式。三電平有源電力濾波器主電路拓撲結(jié)構(gòu)選用的是二極管中點鉗位型，如圖3所示。

理想的三電平逆變電路可以簡化為一個與直流側(cè)相通的單刀三擲開關，每一相橋臂上有4個IGBT，它們同時工作時，要求兩兩導通，二極管中點N為零電位參考點。以A相為例，Ta1和Ta2導通，Ta3和Ta4關斷時，輸出0.5Udc；當Ta2和Ta3導通，Ta1和Ta4關斷時，輸出為0；當Ta3和Ta4導通，Ta1和Ta2關斷時，輸出為-0.5Udc。分別表示為1、0、-1三種開關狀態(tài)。因為每個橋臂上可以輸出三種電平，故而稱之為三電平。經(jīng)分析可知，Ta1和Ta3導通狀態(tài)相反，Ta2和Ta4導通狀態(tài)相反，且Ta1和Ta4不能同時導通。還需注意的是，三電平逆變器在運行過程中，各功率開關器件處于不斷切換的過程，但應避免的是1狀態(tài)和-1狀態(tài)之間直接進行切換，造成直通短路。三相的輸出電壓可以由公式(1)表示。

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

(1)

式中，S代表開關狀態(tài)，Udc為直流側(cè)電壓(現(xiàn)在假設直流側(cè)中點電壓無偏移)。通過公式(1)可以直觀的看出三電平逆變電路的輸出狀態(tài)。易知，三個橋臂一共有33=27種開關狀態(tài)。根據(jù)基爾霍夫定律以及有源濾波器輸出電流電壓的關系，可以得到電壓空間矢量由公式(2)表示。

(2)

在αβ空間平面上，27種開關狀態(tài)對應27個空間矢量。由于由于同一電壓矢量可以對應不同的開關狀態(tài)，所以實際上27種開關僅對應著19個空間矢量。如圖4所示。這些矢量被稱為三電平逆變電路的基本空間矢量，簡稱基本矢量。

4 三電平有源電力濾波器的調(diào)制策略

選用的調(diào)制策略是空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector pulse width Modulation)技術(shù)。

4.1 基本空間矢量的選擇

19個基本空間矢量在αβ平面內(nèi)組成了一個正六邊形，任何一個參考電壓均可以由19個基本空間矢量合成。SVPWM控制方法就是利用電壓空間矢量實現(xiàn)PWM的控制。傳統(tǒng)的三電平 SVPWM 控制方法是以兩電平 SVPWM控制算法為基礎。在選擇基本空間矢量時，先進行大扇區(qū)判斷，即將基本空間矢量根據(jù)矢量的幅值和相角分為6個大的扇形區(qū)，然后再把每一個扇區(qū)分成 4 個小三角形，進行小區(qū)域的選擇，之后分別求出參考電壓在每個小三角形中各個有效矢量作用的時間及順序，確定每個開關狀態(tài)。利用九條直線將24個小三角形區(qū)分出來。圖5為參考電壓矢量區(qū)域分布圖，圖中含有3種不同顏色的直線，共9條。每種顏色的直線斜率一樣，每條直線均可以用具體的表達式表示出來。

三條紅線與橫軸平行，從上到下依次為：

將其標為直線1、直線2、直線3。

將其標為直線4、直線5、直線6。

將其標為直線7、直線8、直線9。

現(xiàn)按照直線對所有的基本矢量劃分區(qū)域。直線1上方的區(qū)域稱之為1區(qū)，直線1與直線2之間的區(qū)域稱之為2區(qū)，直線2與直線3之間的區(qū)域稱之為3區(qū)，直線3下方的區(qū)域稱之為4區(qū)。同理，直線4左側(cè)的區(qū)域稱之為40區(qū)，直線4與直線5之間的區(qū)域稱之為30區(qū)，直線5與直線6之間的區(qū)域稱之為20區(qū)，直線6右側(cè)的區(qū)域稱之為10區(qū)。直線1左側(cè)的區(qū)域稱之為100區(qū)，直線7與直線8之間的區(qū)域稱之為200區(qū)，直線8與直線9之間的區(qū)域稱之為300區(qū)，直線9右側(cè)的區(qū)域稱之為400區(qū)。圖6是對24個小三角形進行標號。

假設參考電壓處于標號為1的小三角形內(nèi)，那么它處于上述的2區(qū)、20區(qū)、300區(qū)的交集處。故可以根據(jù)直線判斷出參考電壓所在的空間位置，選定合成參考電壓的基本空間矢量。三電平NPC逆變器的SVPWM算法也基于伏秒平衡原理，即：參考電壓矢量與采樣周期的乘積，等于所選定空間矢量與其作用時間乘積的累加和。每個基本矢量的作用時間可以通過計算獲得。

在對小三角形進行標號時，1、7、13、19區(qū)可以組成傳統(tǒng)判別方法中的第一扇區(qū)，每個基本矢量的作用時間容易確定，2到6區(qū)的作用時間可以類比于1區(qū)，以此類推，其余區(qū)域的作用時間也可根據(jù)第一扇區(qū)每個小三角形中的作用時間確定。

4.2 開關順序

在三電平逆變器的19個基本矢量中，不同幅值的矢量對應的開關狀態(tài)對中點電壓造成不同的影響。長矢量和零矢量對中點電壓無影響。中矢量和短矢量的開關狀態(tài)對應至少有一相輸出和零母線相連，并和正負母線形成電流回路，從而導致兩個電容的充放電，使中點電壓發(fā)生波動。

利用三電平逆變器開關狀態(tài)的合理選擇，來實現(xiàn)電容中點電壓的動態(tài)平衡控制。是為了盡量減小器件的開關頻率，需要滿足下列兩個條件:

1)從一種開關狀態(tài)切換到另一種開關狀態(tài)的過程中，僅涉及逆變器某一橋臂的兩個開關器件：一個導通，另一個關斷;

2)參考電壓矢量在矢量圖中從一個區(qū)域中轉(zhuǎn)移到另一個區(qū)域時，沒有或者只有最少數(shù)量的開關器件動作。

5 實驗分析

5.1 實驗條件選擇

三電平有源電力濾波器在MATLAB的simulink模塊中進行總體仿真分析，三電平有源電力濾波器補償容量為100 kVA，經(jīng)過對其拓撲結(jié)構(gòu)建立的數(shù)學模型進行分析計算，以及在仿真過程中的調(diào)試，最終逆變電路各個參數(shù)選擇如下：

1)電網(wǎng)相電壓220 V，頻率50 Hz；2)逆變器開關頻率為10 kHz；3)直流側(cè)電壓800 V；

4)直流側(cè)儲能電容選擇3 600 μF，耐壓值為450 V；5)APF的交流側(cè)輸出電感的取值為1 mH。

5.2 實驗結(jié)果分析

在simulink中搭建模型，對其仿真，補償前的電網(wǎng)側(cè)電流其中一相波形如圖7所示，左側(cè)圖為檢測到的負載電流，右圖是對其進行傅里葉(FFT)分析，從圖中可以知道補償前電網(wǎng)側(cè)電流的總諧波畸變率(THD)為21.77%。

在投入APF之后，補償后的電網(wǎng)側(cè)電流其中一相波形如圖8所示，通過對補償前后波形圖的分析比較，電網(wǎng)側(cè)電流的諧波畸變率明顯降低，電流接近于正弦波。可見，該有源濾波器補償效果較好，說明該有源濾波器對諧波治理是有效且可行的。

6 結(jié)論

三電平有源電力濾波器對電網(wǎng)的諧波有有效的補償，可以達到國家標準。電流控制算法，采用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)，利用九條直線判斷參考電壓矢量的在坐標圖中的位置。這種方法原理清楚簡單，無需對參考矢量的相位進行判斷，僅靠幅值就可以進行精確的判斷，但是計算量相對于傳統(tǒng)的扇區(qū)判斷并沒有減少。

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