三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)于兩電平在性能上有很多優(yōu)勢(shì)，但是也存在中點(diǎn)電位不平衡這一固有問(wèn)題。 基于簡(jiǎn)化的三電平空間矢量脈寬調(diào)制（space vector pulse width modulation，SVPWM），提出一種混合式的三電平中點(diǎn)平衡控制策略。該控制策略在低調(diào)制度下，根據(jù)中點(diǎn)電壓偏移情況，結(jié)合三相電流，明確重疊區(qū)域的扇區(qū)選擇原則，克服非冗余小矢量造成的中點(diǎn)偏移；高調(diào)制度下，充分考慮中矢量對(duì)中點(diǎn)偏移的影響，對(duì)不同的小三角形設(shè)置不同的時(shí)間控制因子，實(shí)現(xiàn)對(duì)中點(diǎn)電位平衡的精細(xì)化控制。

　　三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有輸出容量大、輸出電壓高、電流諧波含量小等優(yōu)點(diǎn)，使得三電平結(jié)構(gòu)在高壓大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。研究對(duì)不同負(fù)載情況下影響中點(diǎn)電位的因素進(jìn)行了分析，將中點(diǎn)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(fù)載時(shí)輸出的負(fù)序電流和接非線性負(fù)載時(shí)電流的奇次諧波都會(huì)造成中點(diǎn)電位的低頻振蕩；接非線性負(fù)載時(shí)電流的偶次諧波會(huì)造成中點(diǎn)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(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Σ煌笮『皖l率的諧波進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，之所以稱為有源，是相對(duì)于無(wú)源LC濾波器，只能被動(dòng)吸收固定頻率與大小的諧波而言，APF可以通過(guò)采樣負(fù)載電流并進(jìn)行各次諧波和無(wú)功的分離，控制并主動(dòng)輸出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應(yīng)，抵消負(fù)載中相應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無(wú)功和不平衡。

　　三電平apf有源濾波器的設(shè)計(jì)研究

　　隨著電力電子設(shè)備等非線性負(fù)載的廣泛應(yīng)用，諧波和無(wú)功問(wèn)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(dāng)前低壓領(lǐng)域 APF 已經(jīng)日益完善，而大功率電力電子裝置的應(yīng)用使得大功率中高壓 APF 的需求日益迫切。對(duì)此，學(xué)術(shù)界提出了 三 電 平 APF 的 方 案。相比于傳統(tǒng)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(kāi)關(guān)頻率和更少的損耗，因此更加適用于中高壓大功率領(lǐng)域。三電平 APF 要求具有較高的補(bǔ)償帶寬和較低的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)頻率下，LCL 所需電感更小，在大功率的場(chǎng)合可以有效地減小系統(tǒng)的體積和降低成本，因此 LCL 濾波器在大功率的場(chǎng)合具有廣闊的應(yīng)用前景［3］。但 LCL 濾波器是一個(gè)三階系統(tǒng)，存在諧振現(xiàn)象，需要增加阻尼環(huán)節(jié)來(lái)抑制諧振，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。LCL 的參數(shù)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定控制是現(xiàn)階段研究熱點(diǎn)，不少學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)的研究，但大多是關(guān)于兩電平系統(tǒng)，對(duì)于三電平 APF 系統(tǒng) LCL 的設(shè)計(jì)和控制的研究較少，因此對(duì)三電平 LCL 濾波器的進(jìn)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(shè)計(jì)方法，給出了一般 PWM 整流器的 LCL 濾波器設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)分析方法。文獻(xiàn)［5］對(duì) APF 的 LCL 濾波器各個(gè)元素進(jìn)行了分析比較，給出 LCL 濾波器設(shè)計(jì)的一般步驟，但該文的電流跟蹤方法是開(kāi)關(guān)頻率不確定的滯環(huán)控制，不能完全適用于其他固定開(kāi)關(guān)頻率的電流跟蹤控制。文獻(xiàn)給出了三電平 PWM 整流器的 LCL 設(shè)計(jì)方法，對(duì)于僅考慮基波的常規(guī) PWM 整流器具有良好的效果，但不適用于三電平 APF。常規(guī)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(duì)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(wěn)定性。

　　本研究 以三電平APF為研究對(duì)象，對(duì)三電平APF 的開(kāi)關(guān)紋波電流進(jìn)行詳細(xì)分析，討論 LCL 濾波器的各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響; 然后，提出基于三電平 APF 的 LCL 濾波器的設(shè)計(jì)與控制方法; 根據(jù)所需要補(bǔ)償?shù)闹C波的最高次數(shù)來(lái)確定 LCL 濾波器諧振頻率，進(jìn)而在設(shè)計(jì)原則和約束條件下得到 LCL 濾波器的各個(gè)參數(shù)。

　　1 LCL 濾波器分析

　　三電平 APF 系統(tǒng)如圖 1 所示。系統(tǒng)主要包括三電平逆變器、LCL 濾波器和非線性負(fù)載 3 部分。

　　為了設(shè)計(jì)一個(gè)適合的 LCL 濾波器，首先需要給出 LCL 濾波器的設(shè)計(jì)原則。

　　1． 1 LCL 濾波器設(shè)計(jì)原則

　　LCL 濾波器的設(shè)計(jì)主要從性能、成本、效率、穩(wěn)定性方面進(jìn)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(kāi)關(guān)紋波的最大衰減

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

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

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

　　1． 1． 2 減小電感成本

　　過(guò)大的濾波電感會(huì)導(dǎo)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(shí)際應(yīng)用中是一個(gè)確定的約束條件。同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)成本和系統(tǒng)體積，在滿足系統(tǒng)性能的前提下應(yīng)盡可能地降低電感值。

　　1． 1． 3 損耗的最低化

　　由于系統(tǒng)存在不穩(wěn)定的諧振峰，LCL 濾波器需要進(jìn)行諧振抑制，采用電容支路串聯(lián)阻尼電阻是一種常用的做法。過(guò)大的阻尼電阻將導(dǎo)致出現(xiàn)實(shí)數(shù)極點(diǎn)，從而導(dǎo)致 LCL 對(duì)所有頻率電流的衰減，影響 APF 電流的補(bǔ)償性能。較小的阻尼電阻可以減少系統(tǒng)損耗，但過(guò)小的阻尼電阻又可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般阻尼電阻的大小可根據(jù)諧振點(diǎn)電容阻抗選?。?/p>

　　1． 2． 1 總電感約束條件

　　LCL 濾波器總電感設(shè)計(jì)主要考慮到 LCL 濾波器對(duì)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(shè)計(jì)的不同點(diǎn)在于電平的增加帶來(lái)的電流脈動(dòng)變化。L 型濾波器的三電平 APF 電壓平衡方程可以簡(jiǎn)化為：

　　1． 2． 3 電感比例考慮式（ 1） 中 G1i （ s） 包括 2 個(gè)零點(diǎn)和 3 個(gè)極點(diǎn) （ 其中 1 個(gè)極點(diǎn)是 0） ：

　　1． 2． 4 諧振頻率限制

　　通過(guò) 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(kāi)關(guān)紋波電流。如果選取一個(gè)較低的諧振頻率 fres，將影響低頻電流的增益，導(dǎo)致補(bǔ)償效果不佳。為保證諧波補(bǔ)償?shù)男Ч?，諧振頻率 fres應(yīng)該盡量取高值，而過(guò)高的諧振頻率會(huì)影響濾波器對(duì)紋波電流的抑制能力。因此，與常規(guī)的 PWM 逆變器不同，有源電力濾波器的 LCL 諧振頻率應(yīng)該在補(bǔ)償電流的最高諧波次數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率和1 /2 開(kāi)關(guān)頻率之間，從而保證 APF 系統(tǒng)的低頻電流增益和對(duì)高頻開(kāi)關(guān)紋波電流的衰減能力。

　　2 設(shè)計(jì)流程

　　根據(jù)前文提出的設(shè)計(jì)原則和約束條件，LCL 濾波器的設(shè)計(jì)流程按下面的步驟逐步進(jìn)行：

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

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

　　步驟二： 設(shè)定好 ωres后，根據(jù)系統(tǒng)的功率，電壓，計(jì)算系統(tǒng)的基礎(chǔ)阻抗，感抗和容抗：

　　3實(shí) 驗(yàn)

　　本研究為了驗(yàn)證所提出設(shè)計(jì)方法的正確性，構(gòu)建了 5 kVA 三電平 APF 系統(tǒng)。三電平 APF 系統(tǒng)由主電路和控制系統(tǒng)構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)包括電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)。電流跟蹤環(huán)節(jié)采用 dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的 PI 和多并聯(lián)諧振控制器組進(jìn)行跟蹤控制［9-10］。每一個(gè)諧振

　　控制器可以控制相應(yīng)的靜止坐標(biāo)下系的兩次諧波分量，提高了系統(tǒng)的效率。電壓外環(huán)使用 PI 調(diào)節(jié)器維持電壓穩(wěn)定［11］。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖 4 所示，負(fù)載為三相不控整流 ＲL 負(fù)載，系統(tǒng)參數(shù)如表 1 所示。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本研究提出了一種三電平 APF 的 LCL 濾波器設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單實(shí)用，針對(duì)二極管箝位式三電平 APF 特點(diǎn)，筆者分析了由于電平增加帶來(lái)的紋波電流變化對(duì)濾波電感的影響，先選定諧振頻率后進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化，設(shè)計(jì)流程清晰，適用于三電平 APF 的 LCL濾波器設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，設(shè)計(jì)的 LCL 濾波器在諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方面都可以很好地抑制開(kāi)關(guān)紋波同時(shí)保證補(bǔ)償增益。

　　本研究采用無(wú)源阻尼方式進(jìn)行控制，這將產(chǎn)生一定的損耗，采用有源阻尼可以解決這一問(wèn)題，這也是本研究下一階段的研究方向之一。