基于多電平有源電力濾波器的研究

李凱飛，李又豐

（黑龍江科技大學電氣學院，黑龍江哈爾濱，150000）

0 引言

MMC 作為一種新型的拓撲結構,具有高度模塊化、多電平輸出、易于實現電壓等級控制等優點,在高壓大功率場合具有良好的應用前景，盡管MMC 有源濾波器能夠有效的補償接入點電壓不平衡的大多數諧波，但當電網有單相大容量的接入與斷開時，電網由平衡向不平衡變化，會產生額外的正序負序諧波，這種變化對于MMC-APF 在PCC 不平衡條件下維持高性能的補償帶來了很大的挑戰。

本文提出了一種基于MMC 的并聯有源濾波器，用卡爾曼濾波從電源電流的基本分量快速估計正序電流，由于負序分量和零序分量會降低APF 的諧波補償效率。采用Adaline 作為諧波的檢測方法，實現了良好的諧波補償。通過MATLAB 仿真分析，表明了本文所提控制策略的有效性。

1 并聯有源電力濾波器結構

本文的拓撲結構選擇模塊化多電平變換器（MMC）逆變系統結構，分布式模塊化多電平結構利用率高，魯棒性強。圖1所示為分布式模塊化多電平結構，由三相六個橋臂組成，每一相有兩個橋臂，每個橋臂中有N 個子模塊、1 個緩沖電抗器組成，上下橋臂的公共點部分接入電網。其子模塊系統稱為SM。

SM為MMC子模塊，每個SM由兩個二極管、兩個IGBT組成。從圖1 所示的系統結構中可以看出，MMC 逆變并網系統由上下兩個橋臂組成，同時通過N 個SM 和一個電抗器串聯組成了每個橋臂。當SM 中的IGBT 開關管處于不同的狀態時，電容電壓也會隨著變化，根據開關管的開關情況一共分為3 種工作模式，7 種工作狀態，在這里不再熬述。如果要對輸出的電壓進行控制，可以通過改變子模塊的的投入和切除數量來實現。并聯有源電力濾波器的主電路結構采用模塊化多電平變換器（MMC），控制框圖如圖2 所示。

圖1 分布式模塊化多電平逆變系統

2 ADALINE 對諧波幅值估計

Adaline 網絡是用來識別畸變波形中的電流諧波,在我們的應用中，這是根據直接法實現的，這意味著Adaline 直接工作的空間的測量電流的供電網絡。因此，三個Adaline 網絡必須用于三相供電網絡。每一個都可以分解成傅立葉級數:

圖2 并聯有源濾波器控制框圖

在這個表達式中，Is表示電流源，Isf表示基波分量，Ish為諧波電流分量。電流Isf，Ish表示為:

在前面的表達式中，ω是基頻，α為電流與負載電壓之間的相位，I11，I12基波電流的正弦和余弦分量，In1和In2是諧波電流的正弦和余弦頻率分量。諧波分量的識別是實現與一個Adaline 為每個相位。如圖3 所示，(1)中電流的表達式可以寫成線性組合，可以通過Adaline 網絡學習:

圖3 用于諧波提取的Adaline 網絡設計

x(t)是網絡輸入向量，WT是一個加權向量，輸入向量的選擇如下:

然后，經學習收斂后，Adaline 的權值為

基波電流幅值將由Adaline 的權重W0(k)，乘以cosω t和sinωt來確定，如下所示：

一旦確定了基波電流，用測量電流減去由Adaline 估計的電流的基波分量，就可以得到諧波電流。這可以表示為：

3 仿真分析

圖4 為諧波補償后三相電流基波分量，可以看出電流呈明顯的正弦分布，波形得到很好的改善。圖5 為基波電流FFT分析，其顯示基波電流總諧波畸變率為2.78%，小于5%，可見此方法提取的基波電流畸變率符合電網標準。

圖4 電流基波分量

圖5 基波電流FFT 分析

4 結論

本文采用了新型控制算法，用自適應線性神經元(Adaline)結構來進行濾波，為諧波檢測進行了新的嘗試，直接對負載的各序電流以及諧波電流提取，可以克服電壓畸變及不對稱的影響，并根據需要靈活調整諧波檢測目標，能夠提供APF 所需的參考指令電流。在Matlab/Simulink 電力電子工具箱上的仿真結果表明了該方法的有效性。