三電平apf有源濾波器的設計研究

　　三電平拓撲結構相對于兩電平在性能上有很多優勢，但是也存在中點電位不平衡這一固有問題。 基于簡化的三電平空間矢量脈寬調制（space vector pulse width modulation，SVPWM），提出一種混合式的三電平中點平衡控制策略。該控制策略在低調制度下，根據中點電壓偏移情況，結合三相電流，明確重疊區域的扇區選擇原則，克服非冗余小矢量造成的中點偏移；高調制度下，充分考慮中矢量對中點偏移的影響，對不同的小三角形設置不同的時間控制因子，實現對中點電位平衡的精細化控制。

　　三電平拓撲結構具有輸出容量大、輸出電壓高、電流諧波含量小等優點，使得三電平結構在高壓大功率交流電機變頻調速領域得到了廣泛的應用。研究對不同負載情況下影響中點電位的因素進行了分析，將中點電位的不平衡分為低頻振蕩和電壓偏移兩種情況，三電平逆變器在接線性負載時輸出的負序電流和接非線性負載時電流的奇次諧波都會造成中點電位的低頻振蕩；接非線性負載時電流的偶次諧波會造成中點電位的偏移，其中輸出電流的 2 次和 4 次諧波是造成偏差的主要原因。

　　有源電力濾波器（APF：Active power filter）是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對不同大小和頻率的諧波進行快速跟蹤補償，之所以稱為有源，是相對于無源LC濾波器，只能被動吸收固定頻率與大小的諧波而言，APF可以通過采樣負載電流并進行各次諧波和無功的分離，控制并主動輸出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應，抵消負載中相應電流，實現了動態跟蹤補償，而且可以既補諧波又補無功和不平衡。

　　三電平apf有源濾波器的設計研究

　　隨著電力電子設備等非線性負載的廣泛應用，諧波和無功問題日益凸顯。而有源電力濾波器（ APF） 正是解決這一難題的有效手段。在當前低壓領域 APF 已經日益完善，而大功率電力電子裝置的應用使得大功率中高壓 APF 的需求日益迫切。對此，學術界提出了 三 電 平 APF 的 方 案。相比于傳統的兩電平 APF，三電平 APF 可以承受更高的電壓，具有更低的諧波畸變率、更低的開關頻率和更少的損耗，因此更加適用于中高壓大功率領域。三電平 APF 要求具有較高的補償帶寬和較低的開關紋波電流。而 LCL 濾波器可以兼顧低頻段增益和高頻段的衰減，在同樣的開關頻率下，LCL 所需電感更小，在大功率的場合可以有效地減小系統的體積和降低成本，因此 LCL 濾波器在大功率的場合具有廣闊的應用前景［3］。但 LCL 濾波器是一個三階系統，存在諧振現象，需要增加阻尼環節來抑制諧振，以確保系統的穩定性。LCL 的參數設計和穩定控制是現階段研究熱點，不少學者都對此進行了相關的研究，但大多是關于兩電平系統，對于三電平 APF 系統 LCL 的設計和控制的研究較少，因此對三電平 LCL 濾波器的進一步研究是很有必要的。

　　Liserre 等首次提出了電壓源型逆變器（ VSI） 的 LCL 濾波器設計方法，給出了一般 PWM 整流器的 LCL 濾波器設計和控制系統分析方法。文獻［5］對 APF 的 LCL 濾波器各個元素進行了分析比較，給出 LCL 濾波器設計的一般步驟，但該文的電流跟蹤方法是開關頻率不確定的滯環控制，不能完全適用于其他固定開關頻率的電流跟蹤控制。文獻給出了三電平 PWM 整流器的 LCL 設計方法，對于僅考慮基波的常規 PWM 整流器具有良好的效果，但不適用于三電平 APF。常規的 PWM 整流器輸出的正弦基波電流，而 APF 需要輸出各次諧波電流，這對于 LCL 濾波器提出了更高的要求， LCL 濾波器必須具有更大的帶寬和更好的穩定性。

　　本研究 以三電平APF為研究對象，對三電平APF 的開關紋波電流進行詳細分析，討論 LCL 濾波器的各個參數對系統性能的影響; 然后，提出基于三電平 APF 的 LCL 濾波器的設計與控制方法; 根據所需要補償的諧波的最高次數來確定 LCL 濾波器諧振頻率，進而在設計原則和約束條件下得到 LCL 濾波器的各個參數。

　　1 LCL 濾波器分析

　　三電平 APF 系統如圖 1 所示。系統主要包括三電平逆變器、LCL 濾波器和非線性負載 3 部分。

　　為了設計一個適合的 LCL 濾波器，首先需要給出 LCL 濾波器的設計原則。

　　1． 1 LCL 濾波器設計原則

　　LCL 濾波器的設計主要從性能、成本、效率、穩定性方面進行考慮，具體包括紋波電流的衰減、電感成本、損耗和抑制諧振等。

　　1． 1． 1 開關紋波的最大衰減

　　忽略阻尼電阻的條件下，根據 LCL 的單相等效電路可以得到相應的傳遞函數：

　　式中： G1i （ s） —輸出電壓 ui 到逆變器側電流 i1 的傳遞函數，G2i （ s） —輸出電壓 ui 到網側電流 i2 的傳遞函數， H21 （ s） —逆變器側電流 i1 到網側電流 i2 傳遞函數。

　　為了消除開關紋波，G1i （ s） 、G2i （ s） 和 H21 （ s） 的幅值應盡可能小。由式（ 1） 可知，對于高頻開關紋波， G1i （ s） ≈1 /L1 s，因此選取合適的逆變器側電感 L1 是非常重要的。從等效電路角度分析，對于高頻分量，濾波電容相當于短路，C 與 L2 的并聯阻抗接近于零，il 由 Ll 自身感抗決定。所以，Ll 的設計主要考慮對 il 紋波電流的抑制。

　　1． 1． 2 減小電感成本

　　過大的濾波電感會導致逆變器輸出電壓損失、減小低頻段增益，而受限于直流母線電壓，逆變器輸出的最大交流電壓是有限的。因此總電感量在實際應用中是一個確定的約束條件。同時考慮到經濟成本和系統體積，在滿足系統性能的前提下應盡可能地降低電感值。

　　1． 1． 3 損耗的最低化

　　由于系統存在不穩定的諧振峰，LCL 濾波器需要進行諧振抑制，采用電容支路串聯阻尼電阻是一種常用的做法。過大的阻尼電阻將導致出現實數極點，從而導致 LCL 對所有頻率電流的衰減，影響 APF 電流的補償性能。較小的阻尼電阻可以減少系統損耗，但過小的阻尼電阻又可能影響系統的穩定性。一般阻尼電阻的大小可根據諧振點電容阻抗選?。?/p>

　　1． 2． 1 總電感約束條件

　　LCL 濾波器總電感設計主要考慮到 LCL 濾波器對紋波電流的抑制和電流的跟蹤能力。三電平 APF 的 LCL 濾波器設計的不同點在于電平的增加帶來的電流脈動變化。L 型濾波器的三電平 APF 電壓平衡方程可以簡化為：

　　1． 2． 3 電感比例考慮式（ 1） 中 G1i （ s） 包括 2 個零點和 3 個極點 （ 其中 1 個極點是 0） ：

　　1． 2． 4 諧振頻率限制

　　通過 LCL 濾波器的電流不僅包括了低頻諧波電流還包括了高頻開關紋波電流。如果選取一個較低的諧振頻率 fres，將影響低頻電流的增益，導致補償效果不佳。為保證諧波補償的效果，諧振頻率 fres應該盡量取高值，而過高的諧振頻率會影響濾波器對紋波電流的抑制能力。因此，與常規的 PWM 逆變器不同，有源電力濾波器的 LCL 諧振頻率應該在補償電流的最高諧波次數對應的頻率和1 /2 開關頻率之間，從而保證 APF 系統的低頻電流增益和對高頻開關紋波電流的衰減能力。

　　2 設計流程

　　根據前文提出的設計原則和約束條件，LCL 濾波器的設計流程按下面的步驟逐步進行：

　　步驟一： 定義需要補償諧波的最高次數為 k，根據文獻［3］，截止頻率 ωc ＞ kωn，ωres ＞ kωn /0． 3（ ωn 是額定基波頻率） ?？紤]諧波補償和諧振因素一般?。?/p>

　　同時為了抑制開關紋波和防止低次諧波放大，開關頻率應該滿足 ωsw≥2ωres。更高的開關頻率可以獲得更好的諧波補償特性，但會增加更多的損耗，因此一般取諧振頻率為 1 /2 開關頻率。在 ωres確定以后，參考文獻［3］的方法，LCL 的其他值也可以一一確定了。

　　步驟二： 設定好 ωres后，根據系統的功率，電壓，計算系統的基礎阻抗，感抗和容抗：

　　3實 驗

　　本研究為了驗證所提出設計方法的正確性，構建了 5 kVA 三電平 APF 系統。三電平 APF 系統由主電路和控制系統構成?？刂葡到y包括電流內環和電壓外環。電流跟蹤環節采用 dq 同步旋轉坐標系下的 PI 和多并聯諧振控制器組進行跟蹤控制［9-10］。每一個諧振

　　控制器可以控制相應的靜止坐標下系的兩次諧波分量，提高了系統的效率。電壓外環使用 PI 調節器維持電壓穩定［11］。實驗平臺如圖 4 所示，負載為三相不控整流 ＲL 負載，系統參數如表 1 所示。

　　4 結束語

　　本研究提出了一種三電平 APF 的 LCL 濾波器設計方法。該設計方法簡單實用，針對二極管箝位式三電平 APF 特點，筆者分析了由于電平增加帶來的紋波電流變化對濾波電感的影響，先選定諧振頻率后進行參數的優化，設計流程清晰，適用于三電平 APF 的 LCL濾波器設計。實驗結果證明，設計的 LCL 濾波器在諧波抑制和無功補償方面都可以很好地抑制開關紋波同時保證補償增益。

　　本研究采用無源阻尼方式進行控制，這將產生一定的損耗，采用有源阻尼可以解決這一問題，這也是本研究下一階段的研究方向之一。