能力有限的三相四线有源电力滤波器的并联运行外文翻译资料

能力有限的三相四线有源电力滤波器的并联运行

S.J.蒋艾W.J.和J·J林

摘要：

三相四线有源电力滤波器（应用程序）都可以并联以放大系统的容量和

可靠性。有源滤波器采用了PWM四桥臂电压源逆变器。连接到中性线腿上的解耦控制方法的提出使得所有腿的开关没有相互作用。所提出的APF的功能包括无功功率，高次谐波电流，不平衡功率和零序电流的补偿的负荷。目的是实现单位功率因数，平衡线路电流和零中性线电流。所有组分的补偿能力的限制，与级联协同操作负载电流检测原理。多个应用可以并联共享负载功率并且无需任何控制的互连。除了提供了理论依据和详细的应用程序设计，二个6KVA的APF也被执行。该方法的有效性验证了实验的结果。

1.引言

三相四线系统被广泛地使用在商业建筑和制造工厂，其中一个过度零序电流可以在中性线流动，这是由非线性负载造成的[1〜5]。 三臂逆变器与分裂电容[1-3]和四桥臂[4，5]可能的拓扑结构，实现了有源电力滤波器（APF），提供零线谐波电流补偿。虽然节能开关，三桥臂逆变器分裂电容必须注意保持两个电容器电压的平衡 [3]。此外，如果APF也被设计去平衡输入功率，零序电流目前仍含有基波分量。这个需要大量的电容并将抵消节能开关的好处。四桥臂逆变器具有更好的可控性。然而，为了容纳中性桥臂的切换，瓷砖空间矢量调制必须扩大

到从两维到三维[5]：这使得切换决策更加复杂。

另一方面，分流APF容量的增加是必要的，因为它比其他类型而言要处理负载功率的较大部分 [6]。以前多逆变器的方法已被证明是非常有效的在增加能力方面[7 93]。这些方法包括负载电流分配的方法[7]，多个电流控制与不同的开关频率[8]，和逆变器级联的APF具有不同的开关频率[9]。该负载电流分配方式需要控制APF之间的互连均等地分配在负载电流之间：对局部分配或总线分配上的单点故障可能会关闭整个系统。对于具有不同的多个电流控制的逆变器开关频率的方法，所需的补偿电流被计算，并分发到各逆变器，其产生的逆变器电流命令是就具有不同带宽为不同的低通滤波器逆变器而言的。显而易见的缺点是任何逆变器将导致错误的补偿的故障，由于其他逆变器的电流指令不是独立的。

至于级联的APF具有不同的开关频率的方法，多电流控制的APF与不同等级和开关频率在电源和负载之间被级联。最接近负载的APF拥有最大容量和最低的带宽。它是负责补偿无功功率以及低阶电流谐波的。其余的更高为了电流谐波，然后通过补偿源端附近的APF：他们是快速切换和小容量。这种做法缺乏扩张的灵活性大型APF都需要一个更大的系统。此外，最靠近负荷的故障会恶化补偿精度，因为剩余的低功耗等级APF没有足够的能力来处理全负载功率。

在本文中，我们提出的三相四线分流有源电力滤波器能够补偿负载的无功功率，谐波电流，不平衡功率和零序同时电流，并且可以并联来放大电源容量。

四桥臂逆变器被采用以避免需要一个大电容。一个为中性桥臂的解耦控制方法被呈现。它的效果是，主桥臂可以用与它们相应的控制信号去控制并且与其它桥臂和中性桥臂没有相互作用。因此，传统的两维正弦波PWM的空间矢量调制可以被

用于主桥臂去简化开关复杂性和控制器的设计。为了达到没有控制的互连，进而使多重并联系统的可能性提高，一个APF控制技术方案被采纳。这意味着来自APF的供给组件，包括无功功率，高次谐波电流，不平衡功率和零序电流，可以单独限制。当这种能力有限的APF被级联在电源和负荷之间，APF仅必须补偿留下的组件，通过在其负载端的APF。然而，由于其容量有限，所有本身并不完全补偿的组件也将留在其电源侧的其他APF。所有组件将被自动分发到APF参与补偿，而无需控制互连。另外，到目前被提出的能力有限的APF的理论基础和设计

，二6KVA的APF是可以实现的。所提出的技术的有效性是由实验结果表明的。

2. 有源滤波器的功能与模型

拟议的APF的电路结构如1图所示。四桥臂PWM电压源逆变器被采用以提供三相四线补偿。电容用于与过滤电感共同工作，以吸收由开关造成的高频谐波电流。电容器用于进一步降低在中性线上的高频谐波电流水平。可控硅开关将绕过，使不平衡电流流动，如果中性线电流不能被补偿到零。

所提出的APF的功能包括补偿无功功率，高次谐波电流，三相不平衡功率和负荷的零序电流，使得输入电流是平衡的，正弦和同相的源极电压，和中性线电流是零。APF采用了级联控制。内环是为了使潮流易于控制的电流控制。

外环是无功功率，谐波电流和不平衡功率补偿器，被用来产生电流控制器的电流指令。

我们可以从图1中的功率电路得到下面的方程

忽略PWM方面的高频开关，逆变器电压可表示为

其中是第i桥臂的控制电压。该

PWM的三角波形的振幅，并且是逆变器的直流侧电压。求和（1） - （3）并且将（4）带入得到

是逆变器的电压增益。

如果我们设置N桥臂（中性腿）的控制信号是

图1 拟用电力滤波器的电路配置

然后（1）到(3)和（5）可以被重新表述为

方程（7）到（10）表明了

（i）如果N腿的控制信号被设为（6），逆变器电流（和）可以用来控制他们的相应的控制信号而不用和其他桥臂相互作用。因此，三个主桥臂可以

用常规的两维空间矢量调制或正弦PWM来切换控制。

（ii）N桥臂的逆变器电流是独立于它的控制信号的：它是由之和来确定的。

这些特征可用于简化电流回路的设计。方程（7）和（9）被视为逆变器的模型，当在下面的设计中设计电流控制器的时候。

3. 拟用APF的控制器设计

3.1电流回路控制器设计

图2示出了用逆变器模型（7）到（9）设计的电流环的控制框图，和分别是电压和电流的检测的因素。每相的电流控制器包括两部分：前馈控制器和反馈控制器。前馈控制器产生前馈控制器信号被用来消除由输入电压直接引起的干扰。一旦输入电压扰动被前馈控制信号消除，电流跟踪响应能够被反馈控制回路所确定为

u是等同于电流环路的频带宽度，可以由反馈控制增益进行调节。

3.2外环控制器的设计

图3表示外回路的控制框图。为了简化控制电路，所感测的负载电流和输入电压被变换到dq0轴并且控制设计是对dqO域进行的。由于逆变器电流命令由外环控制器所计算的，他们在进入电流控制环路之前就被转换回abc域。Abc轴和dq0轴的关系如图4所示，并且满足下列的转换方程：

在d轴和q轴的外环控制器都包括无功补偿，谐波电流补偿和不平衡功率补偿。同样也有常见于两个轴的电压调节器。在各轴的最终电流指令是来自它的补偿器和电压调节器的电流总和。外回路控制器的详细设计如下所述。

3.2．1 无功功率补偿器：无功功率补偿器是用来计算所需变换器电流指令用于补偿负载无功功率。瞬时负载无功功率被计算为：

第一项可以被看作是d轴无功功率，并且第二项是q轴的。然后该低通滤波器被用于以吸收各轴的平均无功功率（和）。低通滤波器后面的限制器是设置APF可以提供的无功功率容量。

平均无功功率（和）通过传递限幅器被缩放一个功率 – 电流因子，然后乘以90度的相电压（和），以产生逆变器电流命令的无功分量（和）。在这里和分别是和的基本组成成分：它们被用来使电流指令正弦化即使当相电压被扭曲了。和是通过6OHz带通滤波器分别从和计算得到的。

3.2.2谐波电流补偿：谐波电流补偿用一个6OHz的带通滤波器计算负载电流的基本组成部分（和）。失真分量是用减去得到的。然后畸变电流分量是从得到的，再用一个APF可以提供的限制器去限制畸变电流的振幅。

3.2.3不平衡功率补偿：由于无功功率被无功功率补偿器所补偿，不平衡功率补偿仅仅需要考虑实际功率即可。为了平衡三相电源所提出的方法是去为了重新分配d和q轴的实际功率，这样的才保证d轴和q轴的实际输入功率是平衡的。作为无功功率补偿器，瞬时实际功率或负载计算公式为

第一项可以被看作是d轴的真实功率而第二项则对应q轴。然后该低通滤波器被用于吸收每个轴的平均有功功率。和 的平均值（）等同于已经平衡的输入功率。因此和的差值，是真正应该用APF进行补偿的功率。和后的限制器是用来设置APF可以平衡的实际功率容量。

通过限制器传递的实际功率是用功率 – 电流因子缩放的，然后乘以它们的在相电压（和）以产生逆变器电流命令的实际组件。

图2电流环的控制框图

图3 负载无功功率，谐波电流，不平衡功率和零序电流的补偿外环的控制框图

图4abc轴和dq0轴的关系

3.2.4 DC稳压器：直流电压调节器调节DC链路电压，以应付变流器损失以及谐波功率损耗。这个能量流动是真实的，这样能够使得电压调节的信号乘以在相电压后用来产生逆变器的电流指令的实际组成。由于电压调节器的组成和由不平衡功率补偿产生的分量都是给实际功率的，它们被求和去产生逆变器电流指令的最终实际分量。

3.2.5零序电流补偿限制：无功功率补偿器的限制器，上述的谐波电流补偿器和不平衡功率补偿器限制了该APF可以提供的正序和负序电流。零序电流由逆变器的N桥臂所补偿，是它被指定为逆变器的零序电流指令之前通过限制负载的零序电流来限制的。

3.3 APF的容量限制设置：所提出的APF的容量限制设置包括无功功率（）容量，畸变电流幅值（），不平衡实际功率的容量（）和零序电流幅值（）的设定。该设置是基于APF的规格，包括KVA额定值（），总谐波失真()，逆变器电流的波峰因子，额定负载条件下的允许功率因数。详细设置

在下面的描述中。

APF相电流的额定值（a,b,c三相）和它的基本组成是

其中是输入相电压的有效值 。把APF电流分解成基础和失真分量。

然后把代入 ，我们能够发现和之间的关系就是

畸变电流幅值可以在允许的负载电流方面得到

可以用计算成

然后就可以从得到。然而，要求的开关的电流额定值必须要考虑到波峰因数之后再来计算：

如果无功功率、不平衡的实际功率和谐波电流被完全补偿，将会没有零序电流。因此，零序电流的模拟应该由，和在最坏的情况下所决定的。最坏的情况就是q轴或者d轴的负载电流为零的时候，正如在图5中所示一样。因此，零序电流可以被认为是

图5 负载电流的最差情形

a q轴负载电流为零

b d轴负载电流为零

上述限制设置是在abc-领域完成的，它应转化成dq0域，而且他的外环控制器已经被设计好了。它们的关系为：

4. 拟用有源滤波器的并联运行操作

图6示出用于拟用有源电力滤波器并联行运操作的连接方法。它采用共源共栅电流感测方案。特征是第个APF的输入电流和第i个APF的负载电流相同。所以结果是，第i个APF会将其它的APF视为都在它的负载侧以作为它的负载的一部分。有源滤波器需要去补偿的无功功率，谐波电流，不平衡电流和零序电流便是唯一不需要有源滤波器在其负载侧完全补偿的一部分。考虑到受限制的拟用有源滤波器的一些功能，再结合上述特征建议，通过共享有源电力滤波器，负载的各种组成被展示在图7和图8中。

图6 拟用并联运行有源滤波器的连接方法

图7 由有源滤波器共享的负载的各种组成

a 无功功率共享

b 谐波电流共享

图8 由有源滤波器共享的负载的各种组成

a 不平衡功率共享

b 零序电流共享

同级的五个有源滤波器并联运行如图7和图8所示。注意，所提出的技术也可以应用到一个具有不同的APF等级的系统。

为了清晰起见，只有并联系统的一相被呈现在图7和图8中：其他的两相可通过类比推断。在这相中，负载的无功功率是，畸变电流幅值是，实际功率和平均相功率的差是，负载的零序电流是。因此，在图7a中4个有源滤波器参与负载无功功率的共享，同时有三个有源滤波器（第1到3）供应，并且第四个有源滤波器提供实际功率的0.3。从第五个有源滤波器起，APF不提供无功功率，因为它已经被完全补偿了。同样的，在图7b中，三个有源滤波器参加负载谐波电流的共享，同时第一和第二个有源滤波器用的幅值供应电流失真，并且第三个有源滤波器供应大小。从第四个有源滤波器起，APF的输入电流是正弦的，因为谐波电流已经得到了充分的补偿。

在图8a中，所有的有源滤波器参与负载不平衡功率的共享，同时前四个有源滤波器提供不平衡的实际功率到系统中，并且第五个有源滤波器提供。至于在图8b中所示的零序电流，前三个有源滤波器利用N桥臂和共享电流，然后第四个有源滤波器和共享剩余的零序电流。

上述的并联运行系统有如下的特点。

扩展系统电源容量是非常灵活的，只是通过添加更多

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