有源電力濾波器APF研究現(xiàn)狀文獻綜述上世紀六十年代，B.M.Bird等人首次提出了向交流電網(wǎng)中注入反向三次諧波減少電源諧波[21]，這被認為是有源電力濾波器思想的萌芽。1971年，H.SasaKi和T.Machida第一次完整地描述了APF的基本原理[22]。1976年，L.Gyugyi等人利用PWM變流器作為APF補償電路發(fā)生電路，真正確立了有源電力濾波器的概念，但受制于當時電力電子技術(shù)的發(fā)展水平，并沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。直到1983年赤木泰文提出了“三相電路瞬時無功功率理論”，這解決了APF諧波和無功檢測的難題，伴隨著電力電子器件的研制成功和PWM技術(shù)的發(fā)展，APF就此在電能質(zhì)量控制領域占據(jù)重要地位。APF根據(jù)補償需求已發(fā)展出多種結(jié)構(gòu)，其分類方式如圖1-2。APF按拓撲結(jié)構(gòu)可分為串聯(lián)型[23]、并聯(lián)型[24]和串并聯(lián)混合型[25]。根據(jù)直流側(cè)元件性質(zhì)可將APF分為電流源型APF和電壓源型APF，目前，電壓源型有源電力濾波器在市場上占主導份額。根據(jù)輸出電壓電平數(shù)進行分類，APF可以分為兩電平、三電平[26-28]和多電平有源電力濾波器。三電平APF相較于兩電平APF，輸出電流紋波較小，開關(guān)器件承受的電壓應力也較小，相較于多電平APF，成本低，系統(tǒng)簡單，因此是提升APF性能的理想方案。三電平有源電力濾波器結(jié)構(gòu)多樣，使用方式和應用場合各不相同，下面主要介紹幾種常見的三電平APF拓撲結(jié)構(gòu)。圖1-2有源電力濾波器的分類1.1三電平APF拓撲結(jié)構(gòu)并聯(lián)型三電平有源電力濾波器的一大關(guān)鍵問題便是主電路拓撲的選擇，這決定了濾波器最終的補償效果?，F(xiàn)階段，三電平有源電力濾波器主電路拓撲結(jié)構(gòu)大體可分為三類：中點箝位型三電平逆變器[29]、飛跨電容型[30-31]三電平逆變器以及級聯(lián)H橋型[32]三電平逆變器。1.中點箝位型三電平逆變器中點箝位型三電平逆變器最早由日本學者AKriaNabae在上世紀八十年代提出[33]，目前已廣泛地應用于中高壓大功率領域。AKriaNabae利用箝位二極管代替原本的輔助開關(guān)，并把直流側(cè)電容一分為二，顯著提高了逆變器的耐壓能力，逆變器單向拓撲結(jié)構(gòu)如圖1-3。此拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)展最早且應用最為廣泛，其每相橋臂由四個開關(guān)管及其反并聯(lián)的二極管串聯(lián)而成，直流母線串聯(lián)兩個相同的電容，直流中點與每相橋臂加入一對箝位二極管?；谝陨咸攸c，三電平逆變器可輸出+Udc/2、0、-Udc/0三個電平狀態(tài)，分別稱為：P電平、0電平和N電平。但在逆變器運行過程中會出現(xiàn)上下兩電容充放電不均勻的固有缺陷，因此必須采取一定措施保證中點電壓平衡。圖1-3單向NPC三電平逆變器結(jié)構(gòu)圖1-4單向飛跨電容型三電平逆變器結(jié)構(gòu)2.飛跨電容型三電平逆變器為減少NPC三電平逆變器二極管的使用數(shù)量以及克服直流側(cè)中點電壓不平衡的難題，在1992年舉行的PESC會議上，兩名法國教授提出了飛跨電容型三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)[34]。其單向拓撲結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。FC逆變器相比NPC型逆變器，利用飛跨電容溝通上下兩橋臂，與直流中點沒有電路聯(lián)系，因此可解決中點電位不平衡。但對于高壓系統(tǒng)，電容的大量使用會顯著增加硬件成本，同時，電容體積較大難以封裝且使用壽命短，控制算法復雜，這些缺陷造成了FC逆變器很少應用于工業(yè)領域。3.級聯(lián)H橋型三電平逆變器1975年，P.Hammond提出了最早的多電平逆變器拓撲——級聯(lián)H橋型逆變器[35]。級聯(lián)H橋型逆變器由多個相同的H橋型逆變器串聯(lián)而成，可以通過增加級聯(lián)H橋的個數(shù)擴展輸出電平數(shù)，提高輸出電壓等級，其三電平拓撲結(jié)構(gòu)如圖1-5。此拓撲的功率單元由獨立電源進行供電，因而不存在中點電壓不平衡的問題，同時可進行模塊化的設計和制造，簡化了控制方法。但隨著輸出電平數(shù)的增多，給單向H橋型逆變器供電的獨立電源使用數(shù)量也會相應增加，這就使得前端電壓輸入必須使用多繞組分裂變壓器，不僅增加了系統(tǒng)體積，也大幅提高了系統(tǒng)造價。從應用特性、實現(xiàn)成本及控制方法等角度綜合考慮以上三種拓撲結(jié)構(gòu)，NPC型三電平逆變器更適合作為本文的研究對象，但直流中點電壓偏移會對系統(tǒng)的安全運行造成極大隱患，因此本文將針對NPC型三電平有源電力濾波器中點電壓平衡方法展開研究。圖1-5級聯(lián)H橋拓撲1.2三電平APF調(diào)制策略隨著全控器件的日漸成熟，脈寬調(diào)制技術(shù)PWM廣泛應用于電力電子電路。常用的三電平逆變器的調(diào)制方法主要有以下幾種：正弦脈寬調(diào)制方法(SPWM)、空間矢量調(diào)制方法(SVPWM)[36-37]以及特定諧波消去法(SHEPWM)[38-39]。1SPWM方法對于兩電平SPWM方法，期望獲得的正弦波為調(diào)制波，等腰三角形作為接受調(diào)制的載波，根據(jù)面積等效原理，可以通過比較調(diào)制波和載波控制開關(guān)器件輸出PWM波形。三電平SPWM方法由兩電平SPWM方法直接拓展而來，多路三角載波與正弦調(diào)制波比較產(chǎn)生功率器件所需的門極驅(qū)動信號[40]。載波調(diào)制法主要有載波移相PWM和載波層疊PWM。其中載波移相PWM主要應用于級聯(lián)H橋型多電平逆變器，而載波層疊PWM主要應用于箝位型多電平逆變器。對于NPC型三電平逆變器，CDPWM有載波同向?qū)盈BPWM和載波反向?qū)盈BPWM，圖1-6為這兩種方法原理示意圖，通過對載波不同的移相方式實現(xiàn)。載波調(diào)制法實現(xiàn)簡單、拓展性好，可方便應用于多電平電路，但沒有考慮中點電壓偏移問題，使得輸出電壓諧波含量明顯增加。為解決中點電壓平衡問題，有學者提出了零序電壓注入載波調(diào)制放法，即向三相電壓中引入零序分量。但在高調(diào)制度、低功率因數(shù)下，很難實現(xiàn)中點電流為零的條件，所以在實際應用中具有一定的局限性。(a)PDPWM(b)PODPWM圖1-6載波層疊SPWM控制原理2SVPWM方法在三電平逆變器的調(diào)制策略中，應用最為廣泛的是空間矢量PWM方法。SVPWM起源于電機學，重點關(guān)注如何使電機獲得理想圓形磁鏈軌跡[41]。其結(jié)果是一個旋轉(zhuǎn)的電壓矢量代替了三相交流電壓，其運動軌跡為正六邊形，電壓矢量根據(jù)最近三矢量合成法則(NearestThreeVector,NTV)由功率器件可輸出的基本矢量合成。相較于載波調(diào)制法，SVPWM方法直流側(cè)電壓利用率高、具備良好的輸出電壓諧波特性。對于三電平逆變器，SVPWM方法通過分析各矢量對中點電流的影響得出只有中小矢量會造成中點電壓偏移，調(diào)整冗余小矢量作用時間補償中矢量可使得在一個開關(guān)周期內(nèi)流進中點的電流等于流出中點的電流。但在調(diào)制度較高或功率因數(shù)角較大的情況下，調(diào)整冗余小矢量也無法完全補償中矢量對中點電位的影響，因此SVPWM方法無法在全范圍內(nèi)實現(xiàn)中點電壓平衡。當電平數(shù)增加時，如果依然采用傳統(tǒng)的計算方法，計算量將急劇增加，對系統(tǒng)運行造成巨大負擔。3SHEPWM方法特定諧波消除法在開關(guān)頻率與其他方法相同的情況下，輸出電壓波形理想、直流母線電壓利用率高，主要應用于調(diào)制度較低的多電平逆變器。但該方法的難點是必須求解一組非線性超越方程組，同時需要選取合適的初值[42-43]。目前可采用的方法有牛頓法、多項式合成理論法、Walsh函數(shù)變換法和同倫算法，但這些算法在處理實際問題時都存在某些缺陷，不具有推廣性。參考文獻AkagiH.Trendsinactivepowerlineconditioners[J].PowerElectronics，IEEETransactionson，1994，9(3):263-268.DepenbrockM.TheFBD-method，agenerallyapplicabletoolforanalyzingpowerrelations[J].PowerSystems，IEEETransactionson，1993，8(2):381-387.ChangGW，ChenSK，ChuM.Anefficienta-b-creferenceframe-basedcompensationstrategyforthree-phaseactivepowerfiltercontrol[J].ElectricPowerSystemsResearch，2002，60(3):161-166.SasakiH，MachidaT.Anewmethodtoeliminateacharmoniccurrentsbymagneticfluxcompensation–considerationonbasicdesign[J].IEEETrans.PowerApp&Syst，1971，90(5):2009-2019.GeorgeJ.Wakileh，喬治，徐政.電力系統(tǒng)諧波――基本原理、分析方法和濾波器設計[M]，2011，機械工業(yè)出版社，北京，P8-10.肖樂明.船舶電力系統(tǒng)高次諧波危害與抑制研究[J]，中國航海,2006,(1):86-90.HendersonRD，RosePJ.Harmonics:theeffectsonpowerqualityandtransformers[J].IEEETransactionsonIndustryApplications，1993，30(3):528-532.吳競昌.供電系統(tǒng)諧波[M]，1998，中國電力出版社，北京，P20-24.高倩.電力系統(tǒng)諧波檢測與抑制方法的研究[D]，遼寧工業(yè)大學，2016.羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補償技術(shù)及裝備[M]，2006，中國電力出版社，北京，P15-17.SinghB，GairolaS，SinghBN，etal.MultipulseAC–DCConvertersforImprovingPowerQuality:AReview[J].IEEETransactionsonPowerElectronics，2008，23(1):260-281.孟凡剛，楊世彥，楊威.多脈波整流技術(shù)綜述[J]，電力自動化設備，2012，32(2):9-22.吳鳳江.四象限級聯(lián)型多電平逆變器拓撲及控制策略的研究[D]，哈爾濱工業(yè)大學，2007.許建中，李承昱，熊巖，等.模塊化多電平換流器高效建模方法研究綜述[J]，中國電機工程學報，2015，35(13):3381-3392.KouroS，MalinowskiM，GopakumarK，etal.RecentAdvancesandIndustrialApplicationsofMultilevelConverters[J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