三电平有源电力滤波器的研究

有源电力滤波器(APF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,它通过实时检测电网谐波和无功电流,然后产生与之大小相等、相位相反的补偿电流,达到改善和提高电能质量的目的。这种技术能够对频率和大小都变化的谐波和无功进行实时补偿,其补偿特性不受系统阻抗的影响,具有响应快、可控性高、自适应性强等优点,因而受到广泛的重视。 目前,APF的主电路大多采用两电平变换器,以满足低压场合需要。但是,在高压场合中,电路设计要考虑到半导体功率器件的承压能力,而多电平变换器能产生多阶梯、低失真电压波形,具有开关器件承压降低、开关损耗小、效率高、低电磁干扰(EMI)等显著的优势,在国外又被称为“完美无谐波”变换器而受到越来越多的关注,以满足人们对高压、大功率,尤其是高频化的要求。本文对现有多电平变换器的各种拓扑结构以及其控制策略进行了分类,并分析了它们各自的优缺点和应用场合,在此基础上选取了二极管箝位型三电平变换器作为APF的主电路,以达到降低开关管承压和开关频率,应用到高压大功率场合的目的。 分析了单周控制技术的原理和特点,分别讨论了单周控制技术在单相、三相三线制以及三相四线制两电平APF 中的应用情况。在此基础上,本文首次提出将单周控制技术分别应用于三电平三相三线制APF 和三电平三桥臂三相四线制APF中,在分析其开关周期平均模型的基础上,建立其数学模型,推导出控制的关键方程,据此分别建立了单周控制三电平三相三线制APF 和单周控制三电平三桥臂三相四线制APF 的电路模型,运用PSIM 仿真软件对其分别进行了仿真研究,并且分别和两电平三相三线制APF以及两电平三桥臂三相四线制APF的补偿性能进行了对比分析。仿真和分析结果表明,基于单周控制的三电平APF 控制电路简单,容易实现;主电路开关频率恒定,容易推广到工业和工程实际应用;而且还能够以较低的开关频率获得和较高开关频率下两电平APF 相同甚至更好的补偿效果,有效地消除了负载电流中的谐波和无功分量,在三电平三桥臂三相四线制APF 中也消除了零线电流,从而使补偿后的三相电源电流几乎为正弦波,具有较好的补偿性能。