基于级联多电平逆变技术的有源电力滤波器消除谐波

文/马妍霞 李汉挺 孙尧

1 介绍

模块化级联H桥多电平逆变器是级联逆变器拓扑之一。输出多电平电压波形可以减少合成电流中的谐波，从而减小所需输出滤波器的级别规格。级联多电平逆变器还具有其他优点，例如半导体开关上降低电压，以及与其他转换器拓扑结构相比具有更高的效率。上述情况是本文中研究基于模块化级联多电平逆变器下并联混合型有源电力滤波器的技术背景。

非线性负载的增加导致了电力系统中的若干电能质量问题。由于这些类型的负载，电网电压和电流变为非正弦曲线。传统降低电流谐波失真的方法是无源滤波器，但是这个种方法是无效的解决方案，无法适应现代复杂的负载环境。有源电力滤波器已成为一项新的研究重点，利用电力电子技术作为一种新的改进解决方案。混合有源电力滤波器有效地平滑改进了无源滤波器的问题，并且它还具备了有源电力滤波器解决方案优势，可以确保成本并有效的进行谐波补偿。

在[2-10,13]中引入了几种混合有源滤波器（HAPF）拓扑结构，用于无功功率和谐波电流滤波和治理。最常见的拓扑结构是分流HAPF（SHAPF）[4-12]，它由一个相互串联的有源滤波器（APF）和一个无源滤波器组成，HAPF [3]系列是一个并联无源滤波器和一个串联APF的组合系统。

2 选择性谐波参考电流产生

选择性谐波消除技术一般基于反谐波注入（第3阶次，第5阶次，第7阶次，第9阶次，第11阶次和第13阶次）的思想，利用三相电压源逆变器开关来实现。在本文中，系统的无源滤波器部分在5次阶谐波频率上进行调谐。此外其他的谐波阶次由并联混合型有源电力滤波器（SHAPF）补偿谐波。但是系统中仍有少量的7阶次、19阶次、11阶次和13阶次谐波无法消除。因此，可以FFT方法来消除这种谐波。如图1表示基于FFT的选择性谐波消除。消除步骤如下：

表1

图1

（1）通过FFT提取第7次，第9次，第11次和第13次阶谐波。

（2）通过使用“正弦”操作产生三相选择谐波参考电流。

3 多级逆变器控制块

在本文提出的系统中，使用七级模块化级联多电平逆变器。级联多电平逆变器包括串联H桥逆变器。级联多电平逆变器在结构上没有直流电路电压不平衡的问题。因此，级联多电平逆变器已被广泛研究并用于静态无功补偿器（SVC），电力调节器，稳压器和混合有源电力滤波器领域。与二极管钳位或电容钳位逆变器相比，级联逆变器不需要任何电压钳位二极管或电压平衡电容器。表1为七个级别级联多级逆变器的开关组合状态表：

最终参考电流包括三相谐波参考电流信号，三相选择谐波参考电流信号，三相无功参考电流信号和直流级联电路控制信号。通过这些信号作为综合参考信息。然后，将参考信号与载波信号进行比较以产生变换信号。

图2

4 仿真结果

模拟研究使用PSCAD / EMTDC仿真系统运行三次对比，旨在评估不平衡/失真网格下，使用并联混合型有源电力滤波器（SHAPF）的控制策略的有效性和正确性。无源滤波器调谐到第5阶次，IGBT的控制信号通过脉冲产生宽度调制发生器，其载波幅度和频率分别为±1和10 kHz。如图2所示，在平衡电网电压下的三相电源电压，负载电流，并联混合型有源电力滤波器（SHAPF）产生的电流和源电流仿真示意图。仿真结果验证了该并联混合型有源电力滤波器（SHAPF）谐波补偿的性能是令人满意的。