周京華，祝天岳，陳亞愛，章小衛(wèi)

(北方工業(yè)大學(xué)電力電子與電氣傳動工程研究中心，北京100144)

模塊化三電平APF關(guān)鍵技術(shù)綜述

周京華，祝天岳，陳亞愛，章小衛(wèi)

(北方工業(yè)大學(xué)電力電子與電氣傳動工程研究中心，北京100144)

目前，大量的電力電子裝置將會產(chǎn)生諧波電流并注入電網(wǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)污染日益嚴(yán)重，通常采用APF治理電網(wǎng)諧波。在高壓、大功率場合中，三電平APF與傳統(tǒng)兩電平APF相比優(yōu)勢更大，同時考慮模塊化便于擴(kuò)容，因此模塊化三電平APF成為諧波治理的研究熱點(diǎn)。對目前國內(nèi)外三電平APF的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和歸納，主要包括濾波器設(shè)計、非理想電網(wǎng)下的諧波電流檢測、電流跟蹤控制、中點(diǎn)平衡控制及APF模塊并聯(lián)控制，為模塊化三電平APF的理論研究與工程應(yīng)用提供參考。

三電平APF；濾波器設(shè)計；諧波電流檢測；電流跟蹤控制；中點(diǎn)平衡控制；模塊并聯(lián)控制

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電力電子裝置廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，導(dǎo)致大量的諧波電流注入電網(wǎng)，給電力系統(tǒng)的正常工作帶來了一系列問題。因此，APF作為一種動態(tài)抑制諧波的裝置得到廣泛關(guān)注和研究[1]。由于兩電平APF其自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及開關(guān)器件耐壓水平的限制，難以實(shí)現(xiàn)對高壓大容量非線性負(fù)載進(jìn)行諧波抑制，模塊化三電平APF成為研究的熱點(diǎn)。模塊化三電平APF的補(bǔ)償方式靈活，可用于不同容量及要求的諧波補(bǔ)償場合，而且有利于標(biāo)準(zhǔn)化、大規(guī)模生產(chǎn)[2－3]。

模塊化三電平APF的抑制諧波效果與自身參數(shù)設(shè)計及其控制策略有著密切的關(guān)系。由于輸出濾波器設(shè)計對三電平APF系統(tǒng)的抑制諧波效果及成本有著很大的影響，因此我們首先介紹三電平APF輸出濾波器設(shè)計，在此基礎(chǔ)上對模塊化三電平APF關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述，為模塊化三電平APF的理論研究與工程應(yīng)用提供參考。

1 三電平APF輸出濾波器設(shè)計

三電平APF輸出濾波器的設(shè)計對系統(tǒng)的諧波抑制效果至關(guān)重要，也對系統(tǒng)的成本有很大影響，論文主要對L濾波器設(shè)計和LCL濾波器設(shè)計進(jìn)行分析。

1.1 L濾波器設(shè)計

目前，APF的輸出濾波器通常采用L濾波器。L濾波器結(jié)構(gòu)簡單，但為了有效抑制APF紋波電流通常需要較高的開關(guān)頻率和較大的濾波器電感。電感值的增加會導(dǎo)致系統(tǒng)的動態(tài)性能變差，還增加濾波器的成本，而電感值的減小又會導(dǎo)致電流紋波變大[4]。

文獻(xiàn)[5]給出一種適合于三電平APF的L濾波器參數(shù)設(shè)計方法。首先根據(jù)三電平APF的設(shè)計補(bǔ)償容量和補(bǔ)償實(shí)時性要求能計算出電感取值的上限值；再根據(jù)三電平APF的輸出電流紋波率要求能計算出電感取值的下限值，從而選取電感參數(shù)。這種方法濾波器設(shè)計方法簡單，但濾波效果達(dá)到最佳。

1.2 LCL濾波器設(shè)計

1.2.1 LCL濾波器參數(shù)設(shè)計

LCL濾波器可兼顧低頻段增益和高頻段衰減，獲得比傳統(tǒng)的L濾波器更好的輸出電流特性，所需總電感值較小，但其參數(shù)設(shè)計比較復(fù)雜，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較大，需引入阻尼控制[6]。近年來LCL濾波器成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。

APF的控制目標(biāo)為消除負(fù)載電流中的諧波電流，其中APF輸出的補(bǔ)償諧波電流包含低次諧波及開關(guān)頻率處的電流紋波。這就要求LCL濾波器不能濾除所檢測出來的低次諧波，又能有效抑制輸出開關(guān)頻率處的電流紋波。因此，APF的LCL濾波器參數(shù)設(shè)計方法與PWM整流器的LCL濾波器參數(shù)設(shè)計方法不完全相同。為滿足上述要求，文獻(xiàn)[7]給出了APF的 LCL濾波器的諧振頻率fr設(shè)計范圍為，其中，fhmax為補(bǔ)償最大諧波頻率，fs為開關(guān)頻率。并綜合考慮諧振頻率、無功約束和系統(tǒng)動態(tài)性能要求，最終設(shè)計出LCL濾波器參數(shù)。

1.2.2 LCL濾波器阻尼控制

為有效解決LCL濾波器引起的諧振問題，可加入無源阻尼控制或有源阻尼控制。無源阻尼控制是通過在電容端串入電阻實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，該方法穩(wěn)定可靠，但由于加入電阻會增加系統(tǒng)不必要的損耗。有源阻尼控制是通過修正控制算法實(shí)現(xiàn)阻尼的作用，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，從而消除諧振作用。有源阻尼控制目前主要有狀態(tài)變量反饋法、虛擬電阻法和遺傳算法等方法。

文獻(xiàn)[6]中采用基于電容電流狀態(tài)反饋的LCL濾波器有源阻尼控制方法，根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)推導(dǎo)出有源阻尼比例系數(shù)Kd，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，其系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 基于有源阻尼LCL的APF控制框圖

2 非理想電網(wǎng)下的諧波電流檢測

APF實(shí)現(xiàn)抑制諧波電流的首要問題是快速、準(zhǔn)確地提取出負(fù)載電流中的諧波電流。目前，諧波電流檢測常采用基于瞬時無功功率理論的p-q法和ip-iq諧波檢測方法。但上述諧波電流檢測方法前提是在非理想電網(wǎng)下快速、準(zhǔn)確地提取出電網(wǎng)電壓的基波正序分量。在實(shí)際電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓不平衡及畸變情況普遍存在。因此，在非理想電網(wǎng)下，快速、準(zhǔn)確地提出負(fù)載電流的諧波電流對APF系統(tǒng)至關(guān)重要[8]。

文獻(xiàn)[9]通過對三相電壓、負(fù)載電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，求出負(fù)載電流中的基波正序分量，最后將不對稱的負(fù)載電流減去其基波正序分量可得到補(bǔ)償電流指令值，其諧波檢測原理圖如圖2所示。該方法可以在電網(wǎng)電壓不平衡及畸變的非理想情況提取出諧波電流，并且可以計算任意次諧波電流。

圖2 非理想電網(wǎng)下的諧波檢測原理圖

3 三電平APF電流跟蹤控制策略

三電平APF電流跟蹤控制能實(shí)現(xiàn)APF輸出的補(bǔ)償電流準(zhǔn)確地跟蹤上電流指令值，完成諧波電流的抑制。電流跟蹤制策略是決定三電平APF補(bǔ)償效果的關(guān)鍵因素之一。目前，三電平APF的電流跟蹤控制策略主要有滯環(huán)控制、無差拍控制、單周控制、預(yù)測控制、重復(fù)控制、滑?？刂坪湍：刂频?。

3.1 滯環(huán)控制

滯環(huán)控制是通過補(bǔ)償電流與指令電流之間的偏差，經(jīng)過滯環(huán)比較器控制主電路的開關(guān)器件動作，最終實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電流跟蹤上指令電流。其具有動態(tài)響應(yīng)速度快和穩(wěn)定性好，但是滯環(huán)寬度制約著系統(tǒng)的響應(yīng)速度及電流跟蹤的精度。

文獻(xiàn)[10]給出了一種應(yīng)用于三電平APF的滯環(huán)控制方法，其控制框圖如圖3所示。通過對補(bǔ)償電流ic進(jìn)行坐標(biāo)變換得到ic(x，y)，并求出與諧波檢測得到指令電流i*c(x，y)的偏差，再將該偏差送至五電平滯環(huán)控制器，其中五電平滯環(huán)控制器是由四個不同滯環(huán)比較器組成的。根據(jù)滯環(huán)控制器輸出的控制量、電流空間矢量所在的扇區(qū)以及三電平主電路中點(diǎn)電容的偏差選擇三電平的開關(guān)器件動作，從而實(shí)現(xiàn)三電平APF抑制諧波電流。該控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，開關(guān)器件的動作次數(shù)明顯少于其他控制策略。

圖3 滯環(huán)控制框圖

3.2 無差拍控制

無差拍控制是一種根據(jù)當(dāng)前時刻的狀態(tài)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的狀態(tài)方程推算出下一時刻開關(guān)控制量，最終實(shí)現(xiàn)輸出量跟蹤上輸入量的控制策略。無差拍控制具有數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)密、跟蹤精度高、動態(tài)響應(yīng)速度快，但采樣數(shù)據(jù)的延時性及指令電流的準(zhǔn)確預(yù)測性制約著無差拍控制的效果[11]。

文獻(xiàn)[12]提出了一種基于重復(fù)預(yù)測的三電平APF無差拍控制方案，其控制框圖如圖4所示。該方案由狀態(tài)觀測器和重復(fù)預(yù)測型觀測器組成，在k-1時刻采樣得到該時刻的補(bǔ)償電流ic(d，q)(k-1)，狀態(tài)觀測器給出下一拍補(bǔ)償電流觀測值由重復(fù)預(yù)測觀測器可平推出下兩拍的諧波指令電流預(yù)測值i*c(d，q)(k-1)，由此可以計算出k采樣周期指令電壓u*d(k)和u*q(k)。從而達(dá)到電流誤差等于零的控制目標(biāo)。

圖4 無差拍控制框圖

3.3 單周控制

單周控制是一種大信號、非線性的控制方法，又稱積分復(fù)位控制。單周控制具有開關(guān)調(diào)制頻率恒定、控制電路結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、穩(wěn)定性能好、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)[13]。但其控制系統(tǒng)要求電網(wǎng)電壓不存在畸變，并且只能同時補(bǔ)償無功電流和諧波電流，存在一定的局限性。

單周控制應(yīng)用于APF系統(tǒng)時，不需要檢測諧波電流和指令電流的計算，在每個開關(guān)周期內(nèi)強(qiáng)迫開關(guān)變量的平均值與控制參考量相等或成比例，從而消除穩(wěn)定和瞬態(tài)誤差。文獻(xiàn)[14]使用模擬器件搭建矢量模式的單周控制器并應(yīng)用于三電平APF系統(tǒng)，其控制電路如圖5所示。該文獻(xiàn)中單周控制器是通過電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流檢測進(jìn)行電流選擇，并與直流側(cè)母線電壓調(diào)節(jié)量進(jìn)行比較，最后通過鎖存器發(fā)出脈沖信號。單周控制三電平APF的控制器結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快。

圖5 矢量模式單周控制電路

3.4 預(yù)測控制

預(yù)測控制是一種基于模型的優(yōu)化閉環(huán)控制方法，通過利用當(dāng)前和之前數(shù)據(jù)的偏差以及預(yù)測未來的偏差，實(shí)現(xiàn)被控對象的未來輸出的預(yù)測。預(yù)測控制具有模型預(yù)測、滾動優(yōu)化和反饋校正三個基本特征，這三個要素也是有別于其它控制方法的關(guān)鍵。預(yù)測控制有很好的魯棒性，但是其控制系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜。

文獻(xiàn)[15]根據(jù)預(yù)測控制的基本結(jié)構(gòu)和APF的數(shù)學(xué)模型得到電流預(yù)測控制的結(jié)構(gòu)圖，其中a相電流預(yù)測控制框圖如圖6所示。APF系統(tǒng)對實(shí)時性要求很高，采用參數(shù)模型對其輸出進(jìn)行精確預(yù)測，并且使用指令電流和實(shí)際補(bǔ)償電流進(jìn)行合成參考軌跡，這樣一方面可以使控制系統(tǒng)輸出達(dá)到給定的指令電流i*a，又可以使當(dāng)前輸出電流ia(k)使系統(tǒng)輸出保持一定的柔性。為了消除預(yù)測模型與實(shí)際系統(tǒng)的誤差，需要對開環(huán)預(yù)測進(jìn)行修正，對預(yù)測模型的輸出進(jìn)行反饋校正，形成閉環(huán)預(yù)測。

圖6 電流預(yù)測控制框圖

4 三電平APF中點(diǎn)平衡控制策略

三電平APF中點(diǎn)電位不平衡將會造成輸出電流波形畸變率增大，影響三電平APF補(bǔ)償電流的精度，甚至有可能造成直流側(cè)電容及功率開關(guān)器件的損壞[16]。因此，中點(diǎn)平衡控制策略是三電平APF研究的關(guān)鍵問題之一。

4.1 基于零序電壓注入的中點(diǎn)平衡控制策略

基于零序電壓注入的中點(diǎn)平衡控制是通過在調(diào)制電壓中注入零序電壓u0(t)，使中點(diǎn)電流為零。文獻(xiàn)[17]針對三電平APF直流側(cè)電容中點(diǎn)電位平衡問題，給出了一種基于零序電壓注入的控制策略。通過分析直流側(cè)中點(diǎn)電位波動模型，推導(dǎo)出注入精準(zhǔn)的零序電壓公式；并給出一種滯后判斷求解三相調(diào)制電壓符號的判斷方法，實(shí)現(xiàn)三電平APF中點(diǎn)電位的平衡。

4.2 基于時間因子的中點(diǎn)平衡控制策略

文獻(xiàn)[18]提出一種精確計算冗余小矢量時間控制因子的中點(diǎn)平衡控制策略。當(dāng)參考電壓矢量落在1、2扇區(qū)，根據(jù)當(dāng)前時刻小矢量的電壓平衡能力、中矢量對兩電容電壓的影響情況及中點(diǎn)電位的偏差，精確計算出冗余小矢量時間控制因子，實(shí)現(xiàn)抑制中矢量對中點(diǎn)電位平衡的影響；當(dāng)參考電壓矢量落在的3、4扇區(qū)，對應(yīng)兩組完全不同的開關(guān)序列，通過判斷兩對冗余小矢量的平衡能力選擇合適的開關(guān)序列，并根據(jù)當(dāng)前時刻非冗余小矢量和中矢量對兩電容電壓的影響情況及中點(diǎn)電位的偏差，精確計算出冗余小矢量時間控制因子，實(shí)現(xiàn)抑制非冗余小矢量、中矢量對中點(diǎn)電位平衡的影響。

4.3 基于虛擬空間矢量的中點(diǎn)平衡控制策略

文獻(xiàn)[19]分析了傳統(tǒng)SVPWM最近三矢量合成方法中點(diǎn)電位存在不能平衡的區(qū)域，利用基于虛擬空間矢量的調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位平衡控制。虛擬小矢量產(chǎn)生的中點(diǎn)電流為零，不影響中點(diǎn)電壓平衡；虛擬中矢量其產(chǎn)生的中點(diǎn)電流為零，也不影響中點(diǎn)電壓平衡。通過組合新的虛擬小矢量和虛擬中矢量，能夠控制中點(diǎn)電位平衡。

5 APF模塊并聯(lián)控制策略

目前，模塊化APF裝置主要通過多臺小容量的APF并聯(lián)進(jìn)行擴(kuò)容，根據(jù)并聯(lián)控制及負(fù)載電流檢測位置可以將APF模塊并聯(lián)控制方式分為集中控制、主從控制及分布控制[20－21]。

5.1 模塊化APF集中控制

集中控制是指用一套電流互感器接入負(fù)載交流側(cè)進(jìn)線端檢測負(fù)載電流，通過集中控制單元將檢測的負(fù)載電流信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分配給各APF模塊的一種控制。通過集中控制器檢測負(fù)載電流并計算預(yù)消除的電流諧波分量，將3、5、7次電流諧波分量分配給對應(yīng)的APF模塊以消除系統(tǒng)特定階次電流諧波，如圖7所示。

圖7 模塊APF集中控制方式

集中控制方式，僅使用一套電流互感器，可以節(jié)約成本。集中控制單元負(fù)責(zé)檢測負(fù)載電流及補(bǔ)償電流的分配，一旦集中控制單元出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)就會崩潰。另外，由于共用一套電流互感器，將會造成在所有的APF模塊的控制信號地線之間耦合，不可避免地引入干擾。

5.2 模塊化APF主從控制

模塊化APF主從控制是指用一套電流互感器接入負(fù)載交流側(cè)進(jìn)線端，主機(jī)通過總線將負(fù)載電流信號及均流系數(shù)傳遞給APF從機(jī)模塊的一種控制。系統(tǒng)主機(jī)可選擇明確模塊作為主機(jī)，也可通過開機(jī)競爭自主選擇主機(jī)。文獻(xiàn)[22]采用N+1模塊冗余控制，所有APF模塊僅使用一套電流互感器；系統(tǒng)開機(jī)時首先完成系統(tǒng)自檢和初始化的正常模塊將作為主機(jī)，完成主機(jī)競爭，當(dāng)系統(tǒng)主機(jī)出現(xiàn)故障，產(chǎn)生新主機(jī)。APF模塊中的DSP控制器完成檢測負(fù)載電流諧波，主機(jī)通過485總線將均流系數(shù)傳遞給從機(jī)模塊，如圖8所示。

圖8 模塊化APF主從控制方式

主從控制方式下，當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)選擇一臺從機(jī)模塊作為新主機(jī)，系統(tǒng)不會崩潰，可提高系統(tǒng)的可靠性。但由于系統(tǒng)共用一套電流互感器和各模塊獨(dú)立檢測負(fù)載電流，必須保證所有APF模塊檢測負(fù)載電流同步，加大了系統(tǒng)的控制難度。

5.3 模塊化APF分布控制

模塊化APF分布式控制是指用多組電流互感器檢測負(fù)載電流，每臺APF可以獨(dú)立工作的一種控制。根據(jù)互感器的安裝位置不同分為兩種方案：方案I是互感器分散安裝于該模塊補(bǔ)償電流注入點(diǎn)靠近負(fù)載側(cè)；方案II是互感器集中安裝于負(fù)載側(cè)。采用分布式控制方案I的安裝方式，五個APF模塊每臺都可以獨(dú)立補(bǔ)償電流諧波，如圖9所示。方案I實(shí)現(xiàn)電流諧波補(bǔ)償需在所有APF模塊之間平均分配，APF模塊1、2……N對應(yīng)的均流系數(shù)分別為1/N、1/(1)……1。但由于實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時APF模塊可能會出現(xiàn)隨機(jī)性的故障，造成并聯(lián)運(yùn)行模塊臺數(shù)發(fā)生改變，使系統(tǒng)的均流系數(shù)更新復(fù)雜。

圖9 模塊化APF分布控制方案I

文獻(xiàn)[20]采用N+1模塊冗余控制，采用分布式控制方式方案II的安裝方式，每個模塊可以獨(dú)立檢測和補(bǔ)償電流諧波，如圖10所示。文獻(xiàn)闡述多模塊并系統(tǒng)建模和分析器穩(wěn)定性，并給出該方式下的均流系數(shù)為方案II均流系數(shù)確定及更新較為簡單，均流系數(shù)等于并聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)模塊臺數(shù)的倒數(shù)，并且隨著運(yùn)行APF模塊臺數(shù)的變化而變化。

圖10 模塊化APF分布控制方案II

分布控制方式可以克服集中控制和主從控制系統(tǒng)使用一套電流互感器時，控制信號在各模塊之間的耦合；系統(tǒng)的可靠性大大提高，危險性分散，更容易功能擴(kuò)展。但是由于分布控制方式需要電流互感器的個數(shù)增加，也就加大系統(tǒng)的故障點(diǎn)和系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。

6 結(jié)論

三電平APF與傳統(tǒng)的兩電平APF相比在高壓、大功率場合更具優(yōu)勢，但三電平APF的電流跟蹤控制策略及中點(diǎn)平衡控制策略制約著APF的補(bǔ)償精度和系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度。為獲得高效的APF輸出電流性能，LCL濾波器的設(shè)計及有源阻尼控制策略成為研究的重點(diǎn)。同時在電網(wǎng)電壓不平衡或畸變的非理想電網(wǎng)下，三電平APF仍然能夠快速、準(zhǔn)確地提取出諧波電流是需要解決的首要問題。目前，APF模塊并聯(lián)控制策略基本上都是針對基于L濾波器的兩電平APF，而基于LCL濾波器的三電平APF模塊并聯(lián)控制策略需要進(jìn)一步深入研究。因此，基于LCL濾波器的模塊化三電平APF將具有較高的研究價值和應(yīng)用潛力，將成為治理諧波市場的主流產(chǎn)品。

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Review of key technologiesofmodularized three-level APF

ZHOU Jing-hua，ZHU Tian-yue，CHEN Ya-ai，ZHANG Xiao-wei
(PowerElectronicsand MotorDrive Engineering Research Center，North China University ofTechnology，Beijing 100144，China)

Harmonics are injected into the grid w ith numerous power electronic devices app lied，which makes the grid polluted seriously，thus APF are usually adopted to elim inate these harmonics.In the application of high voltage and high power，com pared w ith the traditional APF，the three-level APF has greater advantage.In order to take into account the expansion ofmodules，the modularized three-level APF has become a research focus.The domestic and foreign key technologies of three-levelAPFwere analyzed and summarized，including filter design，harmonic current detection under nonidealgrid voltage，current tracking control，neutralpointbalancing controland the APF modules parallel control，providing reference for the research and engineering application of the modularized three-levelAPF.

three-level APF;filter design;harmonic current detection;current tracking control;neutral-pointbalance control;modules parallelcontrol

TM 934

A

1002-087X(2016)07-1536-05

2015-12-02

北京市自然科學(xué)基金項目(3142008)；北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)項目(2012D005002000009)

周京華(1974—)，男，山西省人，博士，教授，主要研究方向為大功率變流技術(shù)。