模块化三电平APF关键技术综述

周京华，祝天岳，陈亚爱，章小卫

(北方工业大学电力电子与电气传动工程研究中心，北京100144)

模块化三电平APF关键技术综述

周京华，祝天岳，陈亚爱，章小卫

(北方工业大学电力电子与电气传动工程研究中心，北京100144)

目前，大量的电力电子装置将会产生谐波电流并注入电网，导致电网污染日益严重，通常采用APF治理电网谐波。在高压、大功率场合中，三电平APF与传统两电平APF相比优势更大，同时考虑模块化便于扩容，因此模块化三电平APF成为谐波治理的研究热点。对目前国内外三电平APF的关键技术进行分析和归纳，主要包括滤波器设计、非理想电网下的谐波电流检测、电流跟踪控制、中点平衡控制及APF模块并联控制，为模块化三电平APF的理论研究与工程应用提供参考。

三电平APF；滤波器设计；谐波电流检测；电流跟踪控制；中点平衡控制；模块并联控制

随着电力电子技术的发展，越来越多的电力电子装置广泛应用于各个领域，导致大量的谐波电流注入电网，给电力系统的正常工作带来了一系列问题。因此，APF作为一种动态抑制谐波的装置得到广泛关注和研究[1]。由于两电平APF其自身拓扑结构及开关器件耐压水平的限制，难以实现对高压大容量非线性负载进行谐波抑制，模块化三电平APF成为研究的热点。模块化三电平APF的补偿方式灵活，可用于不同容量及要求的谐波补偿场合，而且有利于标准化、大规模生产[2－3]。

模块化三电平APF的抑制谐波效果与自身参数设计及其控制策略有着密切的关系。由于输出滤波器设计对三电平APF系统的抑制谐波效果及成本有着很大的影响，因此我们首先介绍三电平APF输出滤波器设计，在此基础上对模块化三电平APF关键技术进行综述，为模块化三电平APF的理论研究与工程应用提供参考。

1 三电平APF输出滤波器设计

三电平APF输出滤波器的设计对系统的谐波抑制效果至关重要，也对系统的成本有很大影响，论文主要对L滤波器设计和LCL滤波器设计进行分析。

1.1 L滤波器设计

目前，APF的输出滤波器通常采用L滤波器。L滤波器结构简单，但为了有效抑制APF纹波电流通常需要较高的开关频率和较大的滤波器电感。电感值的增加会导致系统的动态性能变差，还增加滤波器的成本，而电感值的减小又会导致电流纹波变大[4]。

文献[5]给出一种适合于三电平APF的L滤波器参数设计方法。首先根据三电平APF的设计补偿容量和补偿实时性要求能计算出电感取值的上限值；再根据三电平APF的输出电流纹波率要求能计算出电感取值的下限值，从而选取电感参数。这种方法滤波器设计方法简单，但滤波效果达到最佳。

1.2 LCL滤波器设计

1.2.1 LCL滤波器参数设计

LCL滤波器可兼顾低频段增益和高频段衰减，获得比传统的L滤波器更好的输出电流特性，所需总电感值较小，但其参数设计比较复杂，对系统的稳定性影响较大，需引入阻尼控制[6]。近年来LCL滤波器成为研究者关注的焦点。

APF的控制目标为消除负载电流中的谐波电流，其中APF输出的补偿谐波电流包含低次谐波及开关频率处的电流纹波。这就要求LCL滤波器不能滤除所检测出来的低次谐波，又能有效抑制输出开关频率处的电流纹波。因此，APF的LCL滤波器参数设计方法与PWM整流器的LCL滤波器参数设计方法不完全相同。为满足上述要求，文献[7]给出了APF的 LCL滤波器的谐振频率fr设计范围为，其中，fhmax为补偿最大谐波频率，fs为开关频率。并综合考虑谐振频率、无功约束和系统动态性能要求，最终设计出LCL滤波器参数。

1.2.2 LCL滤波器阻尼控制

为有效解决LCL滤波器引起的谐振问题，可加入无源阻尼控制或有源阻尼控制。无源阻尼控制是通过在电容端串入电阻实现系统稳定，该方法稳定可靠，但由于加入电阻会增加系统不必要的损耗。有源阻尼控制是通过修正控制算法实现阻尼的作用，使系统达到稳定，从而消除谐振作用。有源阻尼控制目前主要有状态变量反馈法、虚拟电阻法和遗传算法等方法。

文献[6]中采用基于电容电流状态反馈的LCL滤波器有源阻尼控制方法，根据系统的传递函数推导出有源阻尼比例系数Kd，实现系统的稳定控制，其系统控制框图如图1所示。

图1 基于有源阻尼LCL的APF控制框图

2 非理想电网下的谐波电流检测

APF实现抑制谐波电流的首要问题是快速、准确地提取出负载电流中的谐波电流。目前，谐波电流检测常采用基于瞬时无功功率理论的p-q法和ip-iq谐波检测方法。但上述谐波电流检测方法前提是在非理想电网下快速、准确地提取出电网电压的基波正序分量。在实际电力系统中，电网电压不平衡及畸变情况普遍存在。因此，在非理想电网下，快速、准确地提出负载电流的谐波电流对APF系统至关重要[8]。

文献[9]通过对三相电压、负载电流进行坐标变换，求出负载电流中的基波正序分量，最后将不对称的负载电流减去其基波正序分量可得到补偿电流指令值，其谐波检测原理图如图2所示。该方法可以在电网电压不平衡及畸变的非理想情况提取出谐波电流，并且可以计算任意次谐波电流。

图2 非理想电网下的谐波检测原理图

3 三电平APF电流跟踪控制策略

三电平APF电流跟踪控制能实现APF输出的补偿电流准确地跟踪上电流指令值，完成谐波电流的抑制。电流跟踪制策略是决定三电平APF补偿效果的关键因素之一。目前，三电平APF的电流跟踪控制策略主要有滞环控制、无差拍控制、单周控制、预测控制、重复控制、滑模控制和模糊控制等。

3.1 滞环控制

滞环控制是通过补偿电流与指令电流之间的偏差，经过滞环比较器控制主电路的开关器件动作，最终实现补偿电流跟踪上指令电流。其具有动态响应速度快和稳定性好，但是滞环宽度制约着系统的响应速度及电流跟踪的精度。

文献[10]给出了一种应用于三电平APF的滞环控制方法，其控制框图如图3所示。通过对补偿电流ic进行坐标变换得到ic(x，y)，并求出与谐波检测得到指令电流i*c(x，y)的偏差，再将该偏差送至五电平滞环控制器，其中五电平滞环控制器是由四个不同滞环比较器组成的。根据滞环控制器输出的控制量、电流空间矢量所在的扇区以及三电平主电路中点电容的偏差选择三电平的开关器件动作，从而实现三电平APF抑制谐波电流。该控制系统响应速度快，开关器件的动作次数明显少于其他控制策略。

图3 滞环控制框图

3.2 无差拍控制

无差拍控制是一种根据当前时刻的状态数据和系统的状态方程推算出下一时刻开关控制量，最终实现输出量跟踪上输入量的控制策略。无差拍控制具有数学推导严密、跟踪精度高、动态响应速度快，但采样数据的延时性及指令电流的准确预测性制约着无差拍控制的效果[11]。

文献[12]提出了一种基于重复预测的三电平APF无差拍控制方案，其控制框图如图4所示。该方案由状态观测器和重复预测型观测器组成，在k-1时刻采样得到该时刻的补偿电流ic(d，q)(k-1)，状态观测器给出下一拍补偿电流观测值由重复预测观测器可平推出下两拍的谐波指令电流预测值i*c(d，q)(k-1)，由此可以计算出k采样周期指令电压u*d(k)和u*q(k)。从而达到电流误差等于零的控制目标。

图4 无差拍控制框图

3.3 单周控制

单周控制是一种大信号、非线性的控制方法，又称积分复位控制。单周控制具有开关调制频率恒定、控制电路结构简单、控制精度高、稳定性能好、鲁棒性好等优点[13]。但其控制系统要求电网电压不存在畸变，并且只能同时补偿无功电流和谐波电流，存在一定的局限性。

单周控制应用于APF系统时，不需要检测谐波电流和指令电流的计算，在每个开关周期内强迫开关变量的平均值与控制参考量相等或成比例，从而消除稳定和瞬态误差。文献[14]使用模拟器件搭建矢量模式的单周控制器并应用于三电平APF系统，其控制电路如图5所示。该文献中单周控制器是通过电网电压和负载电流检测进行电流选择，并与直流侧母线电压调节量进行比较，最后通过锁存器发出脉冲信号。单周控制三电平APF的控制器结构简单，响应速度快。

图5 矢量模式单周控制电路

3.4 预测控制

预测控制是一种基于模型的优化闭环控制方法，通过利用当前和之前数据的偏差以及预测未来的偏差，实现被控对象的未来输出的预测。预测控制具有模型预测、滚动优化和反馈校正三个基本特征，这三个要素也是有别于其它控制方法的关键。预测控制有很好的鲁棒性，但是其控制系统设计复杂。

文献[15]根据预测控制的基本结构和APF的数学模型得到电流预测控制的结构图，其中a相电流预测控制框图如图6所示。APF系统对实时性要求很高，采用参数模型对其输出进行精确预测，并且使用指令电流和实际补偿电流进行合成参考轨迹，这样一方面可以使控制系统输出达到给定的指令电流i*a，又可以使当前输出电流ia(k)使系统输出保持一定的柔性。为了消除预测模型与实际系统的误差，需要对开环预测进行修正，对预测模型的输出进行反馈校正，形成闭环预测。

图6 电流预测控制框图

4 三电平APF中点平衡控制策略

三电平APF中点电位不平衡将会造成输出电流波形畸变率增大，影响三电平APF补偿电流的精度，甚至有可能造成直流侧电容及功率开关器件的损坏[16]。因此，中点平衡控制策略是三电平APF研究的关键问题之一。

4.1 基于零序电压注入的中点平衡控制策略

基于零序电压注入的中点平衡控制是通过在调制电压中注入零序电压u0(t)，使中点电流为零。文献[17]针对三电平APF直流侧电容中点电位平衡问题，给出了一种基于零序电压注入的控制策略。通过分析直流侧中点电位波动模型，推导出注入精准的零序电压公式；并给出一种滞后判断求解三相调制电压符号的判断方法，实现三电平APF中点电位的平衡。

4.2 基于时间因子的中点平衡控制策略

文献[18]提出一种精确计算冗余小矢量时间控制因子的中点平衡控制策略。当参考电压矢量落在1、2扇区，根据当前时刻小矢量的电压平衡能力、中矢量对两电容电压的影响情况及中点电位的偏差，精确计算出冗余小矢量时间控制因子，实现抑制中矢量对中点电位平衡的影响；当参考电压矢量落在的3、4扇区，对应两组完全不同的开关序列，通过判断两对冗余小矢量的平衡能力选择合适的开关序列，并根据当前时刻非冗余小矢量和中矢量对两电容电压的影响情况及中点电位的偏差，精确计算出冗余小矢量时间控制因子，实现抑制非冗余小矢量、中矢量对中点电位平衡的影响。

4.3 基于虚拟空间矢量的中点平衡控制策略

文献[19]分析了传统SVPWM最近三矢量合成方法中点电位存在不能平衡的区域，利用基于虚拟空间矢量的调制方法，实现中点电位平衡控制。虚拟小矢量产生的中点电流为零，不影响中点电压平衡；虚拟中矢量其产生的中点电流为零，也不影响中点电压平衡。通过组合新的虚拟小矢量和虚拟中矢量，能够控制中点电位平衡。

5 APF模块并联控制策略

目前，模块化APF装置主要通过多台小容量的APF并联进行扩容，根据并联控制及负载电流检测位置可以将APF模块并联控制方式分为集中控制、主从控制及分布控制[20－21]。

5.1 模块化APF集中控制

集中控制是指用一套电流互感器接入负载交流侧进线端检测负载电流，通过集中控制单元将检测的负载电流信号进行数据处理，分配给各APF模块的一种控制。通过集中控制器检测负载电流并计算预消除的电流谐波分量，将3、5、7次电流谐波分量分配给对应的APF模块以消除系统特定阶次电流谐波，如图7所示。

图7 模块APF集中控制方式

集中控制方式，仅使用一套电流互感器，可以节约成本。集中控制单元负责检测负载电流及补偿电流的分配，一旦集中控制单元出现故障，整个系统就会崩溃。另外，由于共用一套电流互感器，将会造成在所有的APF模块的控制信号地线之间耦合，不可避免地引入干扰。

5.2 模块化APF主从控制

模块化APF主从控制是指用一套电流互感器接入负载交流侧进线端，主机通过总线将负载电流信号及均流系数传递给APF从机模块的一种控制。系统主机可选择明确模块作为主机，也可通过开机竞争自主选择主机。文献[22]采用N+1模块冗余控制，所有APF模块仅使用一套电流互感器；系统开机时首先完成系统自检和初始化的正常模块将作为主机，完成主机竞争，当系统主机出现故障，产生新主机。APF模块中的DSP控制器完成检测负载电流谐波，主机通过485总线将均流系数传递给从机模块，如图8所示。

图8 模块化APF主从控制方式

主从控制方式下，当主机出现故障，系统选择一台从机模块作为新主机，系统不会崩溃，可提高系统的可靠性。但由于系统共用一套电流互感器和各模块独立检测负载电流，必须保证所有APF模块检测负载电流同步，加大了系统的控制难度。

5.3 模块化APF分布控制

模块化APF分布式控制是指用多组电流互感器检测负载电流，每台APF可以独立工作的一种控制。根据互感器的安装位置不同分为两种方案：方案I是互感器分散安装于该模块补偿电流注入点靠近负载侧；方案II是互感器集中安装于负载侧。采用分布式控制方案I的安装方式，五个APF模块每台都可以独立补偿电流谐波，如图9所示。方案I实现电流谐波补偿需在所有APF模块之间平均分配，APF模块1、2……N对应的均流系数分别为1/N、1/(1)……1。但由于实际系统运行时APF模块可能会出现随机性的故障，造成并联运行模块台数发生改变，使系统的均流系数更新复杂。

图9 模块化APF分布控制方案I

文献[20]采用N+1模块冗余控制，采用分布式控制方式方案II的安装方式，每个模块可以独立检测和补偿电流谐波，如图10所示。文献阐述多模块并系统建模和分析器稳定性，并给出该方式下的均流系数为方案II均流系数确定及更新较为简单，均流系数等于并联补偿系统模块台数的倒数，并且随着运行APF模块台数的变化而变化。

图10 模块化APF分布控制方案II

分布控制方式可以克服集中控制和主从控制系统使用一套电流互感器时，控制信号在各模块之间的耦合；系统的可靠性大大提高，危险性分散，更容易功能扩展。但是由于分布控制方式需要电流互感器的个数增加，也就加大系统的故障点和系统的生产成本。

6 结论

三电平APF与传统的两电平APF相比在高压、大功率场合更具优势，但三电平APF的电流跟踪控制策略及中点平衡控制策略制约着APF的补偿精度和系统动态响应速度。为获得高效的APF输出电流性能，LCL滤波器的设计及有源阻尼控制策略成为研究的重点。同时在电网电压不平衡或畸变的非理想电网下，三电平APF仍然能够快速、准确地提取出谐波电流是需要解决的首要问题。目前，APF模块并联控制策略基本上都是针对基于L滤波器的两电平APF，而基于LCL滤波器的三电平APF模块并联控制策略需要进一步深入研究。因此，基于LCL滤波器的模块化三电平APF将具有较高的研究价值和应用潜力，将成为治理谐波市场的主流产品。

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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

北京市自然科学基金项目(3142008)；北京市优秀人才培养项目(2012D005002000009)

周京华(1974—)，男，山西省人，博士，教授，主要研究方向为大功率变流技术。