【《有源电力滤波器APF研究现状文献综述》3300字】

有源电力滤波器APF研究现状文献综述上世纪六十年代，B.M.Bird等人首次提出了向交流电网中注入反向三次谐波减少电源谐波[21]，这被认为是有源电力滤波器思想的萌芽。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变流器作为APF补偿电路发生电路，真正确立了有源电力滤波器的概念，但受制于当时电力电子技术的发展水平，并没有实现产业化。直到1983年赤木泰文提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，这解决了APF谐波和无功检测的难题，伴随着电力电子器件的研制成功和PWM技术的发展，APF就此在电能质量控制领域占据重要地位。APF根据补偿需求已发展出多种结构，其分类方式如图1-2。APF按拓扑结构可分为串联型[23]、并联型[24]和串并联混合型[25]。根据直流侧元件性质可将APF分为电流源型APF和电压源型APF，目前，电压源型有源电力滤波器在市场上占主导份额。根据输出电压电平数进行分类，APF可以分为两电平、三电平[26-28]和多电平有源电力滤波器。三电平APF相较于两电平APF，输出电流纹波较小，开关器件承受的电压应力也较小，相较于多电平APF，成本低，系统简单，因此是提升APF性能的理想方案。三电平有源电力滤波器结构多样，使用方式和应用场合各不相同，下面主要介绍几种常见的三电平APF拓扑结构。图1-2有源电力滤波器的分类1.1三电平APF拓扑结构并联型三电平有源电力滤波器的一大关键问题便是主电路拓扑的选择，这决定了滤波器最终的补偿效果。现阶段，三电平有源电力滤波器主电路拓扑结构大体可分为三类：中点箝位型三电平逆变器[29]、飞跨电容型[30-31]三电平逆变器以及级联H桥型[32]三电平逆变器。1.中点箝位型三电平逆变器中点箝位型三电平逆变器最早由日本学者AKriaNabae在上世纪八十年代提出[33]，目前已广泛地应用于中高压大功率领域。AKriaNabae利用箝位二极管代替原本的辅助开关，并把直流侧电容一分为二，显著提高了逆变器的耐压能力，逆变器单向拓扑结构如图1-3。此拓扑结构发展最早且应用最为广泛，其每相桥臂由四个开关管及其反并联的二极管串联而成，直流母线串联两个相同的电容，直流中点与每相桥臂加入一对箝位二极管。基于以上特点，三电平逆变器可输出+Udc/2、0、-Udc/0三个电平状态，分别称为：P电平、0电平和N电平。但在逆变器运行过程中会出现上下两电容充放电不均匀的固有缺陷，因此必须采取一定措施保证中点电压平衡。图1-3单向NPC三电平逆变器结构图1-4单向飞跨电容型三电平逆变器结构2.飞跨电容型三电平逆变器为减少NPC三电平逆变器二极管的使用数量以及克服直流侧中点电压不平衡的难题，在1992年举行的PESC会议上，两名法国教授提出了飞跨电容型三电平逆变器拓扑结构[34]。其单向拓扑结构如图1-4所示。FC逆变器相比NPC型逆变器，利用飞跨电容沟通上下两桥臂，与直流中点没有电路联系，因此可解决中点电位不平衡。但对于高压系统，电容的大量使用会显著增加硬件成本，同时，电容体积较大难以封装且使用寿命短，控制算法复杂，这些缺陷造成了FC逆变器很少应用于工业领域。3.级联H桥型三电平逆变器1975年，P.Hammond提出了最早的多电平逆变器拓扑——级联H桥型逆变器[35]。级联H桥型逆变器由多个相同的H桥型逆变器串联而成，可以通过增加级联H桥的个数扩展输出电平数，提高输出电压等级，其三电平拓扑结构如图1-5。此拓扑的功率单元由独立电源进行供电，因而不存在中点电压不平衡的问题，同时可进行模块化的设计和制造，简化了控制方法。但随着输出电平数的增多，给单向H桥型逆变器供电的独立电源使用数量也会相应增加，这就使得前端电压输入必须使用多绕组分裂变压器，不仅增加了系统体积，也大幅提高了系统造价。从应用特性、实现成本及控制方法等角度综合考虑以上三种拓扑结构，NPC型三电平逆变器更适合作为本文的研究对象，但直流中点电压偏移会对系统的安全运行造成极大隐患，因此本文将针对NPC型三电平有源电力滤波器中点电压平衡方法展开研究。图1-5级联H桥拓扑1.2三电平APF调制策略随着全控器件的日渐成熟，脉宽调制技术PWM广泛应用于电力电子电路。常用的三电平逆变器的调制方法主要有以下几种：正弦脉宽调制方法(SPWM)、空间矢量调制方法(SVPWM)[36-37]以及特定谐波消去法(SHEPWM)[38-39]。1SPWM方法对于两电平SPWM方法，期望获得的正弦波为调制波，等腰三角形作为接受调制的载波，根据面积等效原理，可以通过比较调制波和载波控制开关器件输出PWM波形。三电平SPWM方法由两电平SPWM方法直接拓展而来，多路三角载波与正弦调制波比较产生功率器件所需的门极驱动信号[40]。载波调制法主要有载波移相PWM和载波层叠PWM。其中载波移相PWM主要应用于级联H桥型多电平逆变器，而载波层叠PWM主要应用于箝位型多电平逆变器。对于NPC型三电平逆变器，CDPWM有载波同向层叠PWM和载波反向层叠PWM，图1-6为这两种方法原理示意图，通过对载波不同的移相方式实现。载波调制法实现简单、拓展性好，可方便应用于多电平电路，但没有考虑中点电压偏移问题，使得输出电压谐波含量明显增加。为解决中点电压平衡问题，有学者提出了零序电压注入载波调制放法，即向三相电压中引入零序分量。但在高调制度、低功率因数下，很难实现中点电流为零的条件，所以在实际应用中具有一定的局限性。(a)PDPWM(b)PODPWM图1-6载波层叠SPWM控制原理2SVPWM方法在三电平逆变器的调制策略中，应用最为广泛的是空间矢量PWM方法。SVPWM起源于电机学，重点关注如何使电机获得理想圆形磁链轨迹[41]。其结果是一个旋转的电压矢量代替了三相交流电压，其运动轨迹为正六边形，电压矢量根据最近三矢量合成法则(NearestThreeVector,NTV)由功率器件可输出的基本矢量合成。相较于载波调制法，SVPWM方法直流侧电压利用率高、具备良好的输出电压谐波特性。对于三电平逆变器，SVPWM方法通过分析各矢量对中点电流的影响得出只有中小矢量会造成中点电压偏移，调整冗余小矢量作用时间补偿中矢量可使得在一个开关周期内流进中点的电流等于流出中点的电流。但在调制度较高或功率因数角较大的情况下，调整冗余小矢量也无法完全补偿中矢量对中点电位的影响，因此SVPWM方法无法在全范围内实现中点电压平衡。当电平数增加时，如果依然采用传统的计算方法，计算量将急剧增加，对系统运行造成巨大负担。3SHEPWM方法特定谐波消除法在开关频率与其他方法相同的情况下，输出电压波形理想、直流母线电压利用率高，主要应用于调制度较低的多电平逆变器。但该方法的难点是必须求解一组非线性超越方程组，同时需要选取合适的初值[42-43]。目前可采用的方法有牛顿法、多项式合成理论法、Walsh函数变换法和同伦算法，但这些算法在处理实际问题时都存在某些缺陷，不具有推广性。参考文献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，乔治，徐政.电力系统谐波――基本原理、分析方法和滤波器设计[M]，2011，机械工业出版社，北京，P8-10.肖乐明.船舶电力系统高次谐波危害与抑制研究[J]，中国航海,2006,(1):86-90.HendersonRD，RosePJ.Harmonics:theeffectsonpowerqualityandtransformers[J].IEEETransactionsonIndustryApplications，1993，30(3):528-532.吴竞昌.供电系统谐波[M]，1998，中国电力出版社，北京，P20-24.高倩.电力系统谐波检测与抑制方法的研究[D]，辽宁工业大学，2016.罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M]，2006，中国电力出版社，北京，P15-17.SinghB，GairolaS，SinghBN，etal.MultipulseAC–DCConvertersforImprovingPowerQuality:AReview[J].IEEETransactionsonPowerElectronics，2008，23(1):260-281.孟凡刚，杨世彦，杨威.多脉波整流技术综述[J]，电力自动化设备，2012，32(2):9-22.吴凤江.四象限级联型多电平逆变器拓扑及控制策略的研究[D]，哈尔滨工业大学，2007.许建中，李承昱，熊岩，等.模块化多电平换流器高效建模方法研究综述[J]，中国电机工程学报，2015，35(13):3381-3392.KouroS，MalinowskiM，GopakumarK，etal.RecentAdvancesandIndustrialApplicationsofMultilevelConverters[J].IndustrialElectronicsIEEETransactionson，2010，57(8):2553-2580.杨贵杰，孙力，崔乃政，等.空间矢量脉宽调制方法的研究[J]，中国电机工程学报，2001，21(5):79-83.李承，邹云屏.有源电力滤波器抑制谐波的机理分析[J]，电力系统自动化，2003，27(20):31-34.孙佳越.一种新型无源滤波器的研究与设计[D]，哈尔滨理工大学，2016.王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M]，2004，机械工业出版社,北京，P30-34.陈坚，电力电子学：电力电子变换和控制技术（第二版）[M]，2002，高等教育出版社,北京，P27-30.SasakiH，MachidaT.ANewMethodtoEliminateACHarmonicCurrentsbyMagneticFluxCompensation-ConsiderationsonBasicDesign[J].IEEETransactions