基于多電平有源電力濾波器的研究

李凱飛，李又豐

（黑龍江科技大學(xué)電氣學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150000）

0 引言

MMC 作為一種新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),具有高度模塊化、多電平輸出、易于實(shí)現(xiàn)電壓等級控制等優(yōu)點(diǎn),在高壓大功率場合具有良好的應(yīng)用前景，盡管MMC 有源濾波器能夠有效的補(bǔ)償接入點(diǎn)電壓不平衡的大多數(shù)諧波，但當(dāng)電網(wǎng)有單相大容量的接入與斷開時，電網(wǎng)由平衡向不平衡變化，會產(chǎn)生額外的正序負(fù)序諧波，這種變化對于MMC-APF 在PCC 不平衡條件下維持高性能的補(bǔ)償帶來了很大的挑戰(zhàn)。

本文提出了一種基于MMC 的并聯(lián)有源濾波器，用卡爾曼濾波從電源電流的基本分量快速估計正序電流，由于負(fù)序分量和零序分量會降低APF 的諧波補(bǔ)償效率。采用Adaline 作為諧波的檢測方法，實(shí)現(xiàn)了良好的諧波補(bǔ)償。通過MATLAB 仿真分析，表明了本文所提控制策略的有效性。

1 并聯(lián)有源電力濾波器結(jié)構(gòu)

本文的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇模塊化多電平變換器（MMC）逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分布式模塊化多電平結(jié)構(gòu)利用率高，魯棒性強(qiáng)。圖1所示為分布式模塊化多電平結(jié)構(gòu)，由三相六個橋臂組成，每一相有兩個橋臂，每個橋臂中有N 個子模塊、1 個緩沖電抗器組成，上下橋臂的公共點(diǎn)部分接入電網(wǎng)。其子模塊系統(tǒng)稱為SM。

SM為MMC子模塊，每個SM由兩個二極管、兩個IGBT組成。從圖1 所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中可以看出，MMC 逆變并網(wǎng)系統(tǒng)由上下兩個橋臂組成，同時通過N 個SM 和一個電抗器串聯(lián)組成了每個橋臂。當(dāng)SM 中的IGBT 開關(guān)管處于不同的狀態(tài)時，電容電壓也會隨著變化，根據(jù)開關(guān)管的開關(guān)情況一共分為3 種工作模式，7 種工作狀態(tài)，在這里不再熬述。如果要對輸出的電壓進(jìn)行控制，可以通過改變子模塊的的投入和切除數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。并聯(lián)有源電力濾波器的主電路結(jié)構(gòu)采用模塊化多電平變換器（MMC），控制框圖如圖2 所示。

圖1 分布式模塊化多電平逆變系統(tǒng)

2 ADALINE 對諧波幅值估計

Adaline 網(wǎng)絡(luò)是用來識別畸變波形中的電流諧波,在我們的應(yīng)用中，這是根據(jù)直接法實(shí)現(xiàn)的，這意味著Adaline 直接工作的空間的測量電流的供電網(wǎng)絡(luò)。因此，三個Adaline 網(wǎng)絡(luò)必須用于三相供電網(wǎng)絡(luò)。每一個都可以分解成傅立葉級數(shù):

圖2 并聯(lián)有源濾波器控制框圖

在這個表達(dá)式中，Is表示電流源，Isf表示基波分量，Ish為諧波電流分量。電流Isf，Ish表示為:

在前面的表達(dá)式中，ω是基頻，α為電流與負(fù)載電壓之間的相位，I11，I12基波電流的正弦和余弦分量，In1和In2是諧波電流的正弦和余弦頻率分量。諧波分量的識別是實(shí)現(xiàn)與一個Adaline 為每個相位。如圖3 所示，(1)中電流的表達(dá)式可以寫成線性組合，可以通過Adaline 網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí):

圖3 用于諧波提取的Adaline 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

x(t)是網(wǎng)絡(luò)輸入向量，WT是一個加權(quán)向量，輸入向量的選擇如下:

然后，經(jīng)學(xué)習(xí)收斂后，Adaline 的權(quán)值為

基波電流幅值將由Adaline 的權(quán)重W0(k)，乘以cosω t和sinωt來確定，如下所示：

一旦確定了基波電流，用測量電流減去由Adaline 估計的電流的基波分量，就可以得到諧波電流。這可以表示為：

3 仿真分析

圖4 為諧波補(bǔ)償后三相電流基波分量，可以看出電流呈明顯的正弦分布，波形得到很好的改善。圖5 為基波電流FFT分析，其顯示基波電流總諧波畸變率為2.78%，小于5%，可見此方法提取的基波電流畸變率符合電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 電流基波分量

圖5 基波電流FFT 分析

4 結(jié)論

本文采用了新型控制算法，用自適應(yīng)線性神經(jīng)元(Adaline)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行濾波，為諧波檢測進(jìn)行了新的嘗試，直接對負(fù)載的各序電流以及諧波電流提取，可以克服電壓畸變及不對稱的影響，并根據(jù)需要靈活調(diào)整諧波檢測目標(biāo)，能夠提供APF 所需的參考指令電流。在Matlab/Simulink 電力電子工具箱上的仿真結(jié)果表明了該方法的有效性。