基于参考向量角度预测三电平并联APF电压平衡策略

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1、基于参考向量角度预测的三电平并联APF的电压平衡策略摘要——为了保持中性点侧（NPC）并联有源电力滤波器（APF）的中性点电压平衡，本文提出了一种基于预测参考矢量角度的中性点电压平衡策略。该策略考虑到了每个环节的每一个中性点电压向量和相应的切换序列的参考矢量的影响。通过调整参考向量的角度选择优化的转换序列，使直流母线电容电压保持平衡，维护和减少中性点电压纹波。用MATLAB模拟验证了该方法及其效果的有效性。关键词——三电平逆变器；中性点电压平衡；有源电力滤波器（APF）；空间矢量脉宽调制；角度预测一、简介随着电力电子装置以及其它非线性负荷的广泛应

2、用，配电与传动系统中的谐波和无功功率问题已经越来越严重[1]。近年来，各种有源电力滤波器（APF）已经被用来消除谐波电流和补偿无功功率[2]。对于谐波补偿容量需求的增加，基于多电平电压源逆变器（VSI）拓扑结构的有源电力滤波器很好的解决了中、大功率工业中的应用问题，其中三电平中点钳位（NPC）结构是最有前途的一个[3]。三电平结构不仅能对半导体开关产生较低的应力，也能减少逆变器输出的谐波含量。然而，三电平逆变器具有中性点电压不平衡的内在缺陷[4]，引起了学术界广泛的研究。因此，本文提出并研究了中性点电压平衡的不同的调制策略和电压控制器。在所有的调

3、制算法中，正弦脉冲宽度调制（SPWM）和空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）是应用最广的两种算法。对于SPWM算法，适当的往调制信号里注入零序信号可以从本质上实现中点电压平衡[5]-[8]。但SPWM直流电压利用率低，在一定的操作条件下不能完全消除中性点电压的低频成分。SVPWM最近被应用到中性点平衡控制，因为它提供了改进的电能质量和更好的直流母线电压的利用率。[9]-[14]中用的在SVPWM下的算法是基于一对短矢量对中点电压的相反效果。在每一个新的开关周期内它选择正极或负极的短向量。因此，中性点电压通过改变切换顺序或排列的短向量的时间分布保持平

4、衡。也就是说中性点电压在增加的开关转换以及复杂的计算密集型的控制算法的代价下才能保持平衡。更重要的是，该算法只能在理想的平衡负载的情况下工作，当负载瞬态变化时很难恢复。在本文中，基于参考向量角预测的电压均衡策略提出了三电平并联型有源电力滤波器。该方法考虑了在每个扇区中的参考矢量的中性点电压和相应的切换序列的每个向量。该策略修正了参考电压矢量的角度，从而改变时间在某些部门扇区的定位。相对对应的小矢量的作用时间增加或减少取决于中性点电压不平衡。通过修改参考矢量角选择优化的开关序列，该策略包括直流母线电容电压平衡，减少中性点电压纹波。二、三电平并联有源

5、电力滤波器三电平并联型有源电力滤波器作为一个受控电流源，它可以对相应的电流或谐波产生一个大小相等、方向相反的电流[15]。采用三电平NPC逆变器的有源电力滤波器补偿谐波和无功功率在高电压中高功率应用领域已广泛应用。如图1（a）所示，一个三电平APF是由电网，NPC逆变器，LCL滤波器和非线性负载构成的，其中NPC逆变器通过LCL滤波器连接到电网。LCL滤波器的电容主要是用来过滤出高频开关纹波，它对低频电流有小的影响[16]。当输出电流的频率比LCL共振频率的一半还低时可以忽略。因此，在LCL型滤波器的反相滤波器可以简化到L型[17]的等效电路，等

6、效电路如图（b）中所示。根据基尔霍夫电压定律，等效电路的电压方程可以表示为其中Us为电网电压，Ui是有源电力滤波器的输出电压，LT=L1+L2是总的等效电感。在d-q坐标系中，（1）式可写作其中ω是网格的角频率，Usd，Usq，id，iq，Uid，Uiq分别是Us，i和Ui在d轴和q轴的分量。结果表明，控制逆变器输出电压Usd和Usq可以有效控制输出电流id和iq，从而控制输出谐波和并联型有源电力滤波器的补偿电流。图1.三电平NPC并联型APF（a）主电路（b）等效电路对三电平APF的控制图是如图2所示。它包括电流控制器，电压控制器，中性点电压平

7、衡控制器等。首先，电流控制器采用PI控制器来控制基波电流，多谐振控制器来调节谐波分量。然后采用PI电压控制器控制器保持直流母线电压的平衡，中性点电压平衡控制器保持中性点的平衡。此外，SVPWM模块产生PWM信号驱动逆变器。图2.控制系统框图一、调制与工作策略分析表1显示三电平NPCAPF的开关状态。根据不同的开关状态，每一相有三种类型的终端电压等级（Vdc/2，0和Vdc／2），所以三相有27级输出，对应27个空间矢量状态。表1.NPC并联型APF的开关状态（x=a,b,c）图3中的并联型有源电力滤波器的三电平空间矢量图是由六个扇区的27个空间矢

8、量构成的。这些空间向量可以分为四种类型：三个零向量，十二个短向量，六个中向量和六个长向量。图3.并联型有源电力滤波器的三电平空间矢量图中