三電平四橋臂有源濾波器主電路參數設計

王 艷 馮晟偉

（1.昆明學院，昆明 650032；2.昆明地鐵運營有限公司，昆明 650032）

并聯型有源濾波器（Active Power Filter，APF）能對頻率和幅值都變化的諧波跟蹤補償，補償效果良好。就綜合補償能力而言，在較常見的三單相全橋結構、電容分裂式結構和四橋臂結構這3種四線制APF結構中，四橋臂結構是最優的選擇[1-2]。多電平技術可使APF具有更高的電壓等級和裝置容量，濾波效果更好。本文以三電平四橋臂APF做為研究對象，對相關參數的選取進行介紹[3-4]。圖1為三電平四橋臂APF系統組成。

圖1 三電平四橋臂APF系統結構

1 功率開關器件IGBT基本參數計算

1.1 IGBT額定電壓

IGBT模塊的額定電壓與APF的輸入電壓密切相關。輸入電壓經整流和濾波后，直流母線電壓的最大值是確定IGBT模塊的額定電壓的基本參數。在開關工作條件下，IGBT模塊的額定電壓一般要求高于直流母線電壓最大值的2倍，并據此選擇IGBT模塊的電壓等級。

1.2 IGBT額定電流

因為APF需要補償高頻諧波信號，所以要求IGBT可以承受較高的開關頻率。考慮到流過IGBT的電流及散熱，有工程經驗公式：

式中：PAPF為APF設計容量；OL為過載倍數，一般取OL=2；λ為電流脈動因數（一般取λ=120%）；Vac為三相交流線電壓有效值；PF為功率因數；η為濾波器效率（一般取η=0.9）。

根據APF的設計容量和輸入電壓，將各個系數帶入式（1），可得濾波器正常工作時的峰值電流Ic。考慮到工作時的電壓、電流沖擊，IGBT的參數選擇應留有充足的裕量。IGBT模塊的額定電流應選取為2～3倍的Ic（峰值）。

1.3 APF開關頻率選擇

頻率調制比（器件的開關頻率與最高次諧波頻率之比）低于7時，會造成鄰近譜瓣互相重疊，造成波形明顯失真。因此，應根據APF對諧波的補償要求和IGBT器件的電壓等級、電流水平及散熱要求，綜合考慮主電路成本，選擇合適的開關頻率，并據此選擇不同系列的IGBT模塊。

綜上所述，對于三電平四橋臂APF，在電壓等級小于1 700 V的IGBT模塊中，開關頻率的典型值一般為10 kHz。

2 直流側電壓的設計和電容容量參數設計

直流側電容的作用是為變流器提供直流電壓。直流側電壓Vdc應比交流側相電壓峰值至少大1.5倍。Vdc決定了APF的補償能力，總諧波電流的最大變化斜率越大，對Vdc的要求越高。

直流側電容為儲能元件。能量在負載與APF之間進行交換。對于非線性負載，諧波電流所產生的瞬時功率不為零，但一個周期的平均值為零。當APF對諧波電流進行補償時，負載和APF之間有能量交換，需要直流側電容提供能量交換進行緩沖。如果忽略APF的損耗，直流側電容只是周期性地吸收和釋放能量。因此，負載與APF交換的最大能量?W為：

式中，PAPF為APF額定容量，fs為APF開關頻率。

電容器緩沖的能量可以用直流側電壓的波動來表示。設APF濾波器直流側電壓為Vdc，直流側電壓的波動系數為α（要求不大于5%），則有：

從能量角度考慮，在一個Ts內，APF有源濾波器的最大能量交換為：

由式（2）、式（3）和式（4），可以得出電容的計算公式為：

實際應用中，為保證APF的性能，必須維持其直流側的電壓基本不變。實際應用中，往往將直流側的電容裕量取得較大，因為APF直流側更關注穩定性，并無嚴格的動態性能要求。

3 連接電抗器參數設計

電抗器電感值L是一個重要參數，直接影響PAF的性能和可控性。本文通過電抗器接入系統，其中電抗器電感值可確定為[5]：

式中，Vdc為直流側電壓，fs為APF開關頻率，ω為基波角頻率，Imax為基波相電流幅，I為輸出超調電流。

在確定直流側電壓大小的情況下，基于實驗，L的選取滿足Lmin＜L＜Lmin。在此范圍內，結合控制策略和調制算法，觀察電流響應和紋波，折中考慮電流響應速度和電流紋波，同時考慮電感價格，以實現最優配置。

4 設計舉例

以設計一臺10 kVA三電平四橋臂APF的主電路為例，計算和選取APF主電路參數。該裝置的主要技術要求：額定容量10 kVA；額定電壓90 V/50 Hz；可濾除的21次及以下的各次諧波，并可抑制零序電流。

按照額定容量10 kVA、額定電壓90 V進行設計，并將各個系數帶入式（1），可得：

IGBT正常工作時的峰值電流，選取2～3倍電流的裕量。選擇英飛凌公司的IGBT模塊，型號為FF600R07ME4_B11。它的電壓等級為600 V，工作電流600 A。

由于需濾除21次及以下的各次諧波，故APF開關頻率選為10 kHz。

直流母線電壓應大于1.5Vac，故選擇Vdc=200 V。

將各個系數帶入式（5），可得：

考慮一定的余量，取C=1 000 μF。對于本文設計的APF，由于是四橋臂，直流側電容器為兩個相等大小的電容串聯而成，因此每只電容應取2 000 μF。

將各個參數帶入式（6），可分別求得：

折中后，選取L=0.8 mH。

5 實驗結果

為驗證提出的參數選取方法的正確性，搭建實驗平臺，具體的實驗參數如下：

（1）電源線電壓90 V/50 Hz，系統阻抗忽略不計；

（2）APF側進線電感L=0.8 mH，直流母線電壓Vdc=200 V，電容C=2 000 μF。

（3）非線性負載選用三相不可控整流負載，加上一個單相不可控整流負載，參數均為16 Ω、1 mH。

補償前A相電流畸變比較厲害，而補償后A相電流基本上是正弦波，補償效果很好。由圖2可知，直流側母線電壓和中點電位得到了很好的控制。實驗結果表明，本文的主電路參數選擇方法能夠滿足設計要求。

圖2 APF直流側總電壓及上下母線電壓

6 結語

根據所選擇的參數，搭建樣機并進行系統實驗，實驗結果驗證本文的主電路參數選擇方法在三電平四橋臂APF系統中應用具有可行性。