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· 2018年8月 ·今日电子三电平 APF 直流侧电容中点电压控制方法的研究六安供电公司 王传林 李海燕近年来，大容量电力电子装置在高压交流电力系统中得到日益广泛的应用，但其存在谐波和无功等问题，不仅威胁到系统自身的安全运行，而且严重影响电网电能质量。
为了解决此类问题，有源电力滤波器应运而生。
有源电力滤波器作为用于动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，是柔性交流输电系统(F A C T S)重要部分，而且被公认为是治理电能质量问题的有效手段。
有源电力滤波器是一种主动型的谐波补偿装置，它能够对大小和频率都变化的谐波，以及变化的无功进行补偿，从而实现动态跟踪补偿，具有高度的可控性和快速响应性，应用前景广阔。
本文从能量守恒原理出发，提出采取基于电容电荷平衡原理的S V P W M调制的直流侧中点电压控制策略。
并通过仿真和实验来验证其正确性。
三电平有源电力滤波器拓扑结构N P C型三电平有源电力滤波器的拓扑结构如图1所示，其工作原理是：运用电流传感器C T采集负载侧和逆变器输出主线路上的电流，同时利用P T 对当前电网电压和逆变器直流侧电容电压进行采样；而后使用谐波检测算法提取出谐波信号，依据所建立的数学模型，计算出每相每个开关器件的PWM开关映射时间，完成跟踪指令谐波电流的任务，从而使电网变压器输出电流干净，没有谐波污染。
令三相逆变器每相桥臂的开关动作函数为S n，因此三相逆变器所有桥臂开关函数汇总表达式为：(1)则建立在abc坐标下的表达式为：(2)由a b c坐标系下数学模型可以看出，各轴的值都是时变的，不利于控制设计，因此考虑将三相abc坐标轴数学模型变换到两相旋转的d q0坐标轴上，从而将时变交流量转化为直流矢量，降低了系统的阶次，便于系统的控制。
本文采用恒功率变换，其变换的系数矩阵为：(3)由式2和3得到d q坐标下的系统表达式：(4)三电平逆变器PWM控制电压空间矢量技术S V P W M来源于电机控制，控制思想就是使电机得到幅值恒定的圆形旋转磁场。
APFC电路原理及其在通信电源系统中的应用一、引言在通信用开关电源系统中，为了减少输入电流谐波，降低其对电网的污染，同时有利于后级DC-DC变换电路的稳定工作，交流输入侧多采用有源功率因数校正技术。
提高功率因数最简单的方法是无源补偿法，但由于无源法中应用的器件体积大而笨重且性能指标不理想，目前最先进的方法是采用有源功率因数校正技术（APFC）。
与无源校正相比，有源功率因数校正电路抑制谐波效果更明显，总谐波含量可抑制在5%以内，功率因数可达到0.9以上，接近单位功率因数。
二、APFC电路的基本原理单相有源功率因数校正电路的控制主要包括应用乘法器的电流连续工作方式（CCM）和射随器的电流非连续工作方式（DCM）。
输出功率在700W以上电源目前主要以CCM方式为主，主电路拓扑多采用升压（boost）变换器,这主要是由于boost变换器具有输入电流小、效率高、输入电压范围宽的优点；同时储能电感也可作为滤波器抑制RFI和EMI噪声。
基本工作原理见图1，其中的boost变换器工作于CCM方式，可以看出，控制电路采用了电压、电流双闭环控制，电流反馈网络的取样信号是升压变换器的电感电流，电压反馈网络的取样信号是变换器的输出电压。
正比于输入电流的取样信号与乘法器的输出进行比较，经处理转换成PWM脉冲，控制功率管S导通或关断。
功率管导通后，电感电流线性上升。
当取样电流与参考电流相等时，控制器使功率管关断，此时电感的自感电势使二极管D导通，储能电感L通过二极管D对电容C放电，电感电流线性下降。
随后第二个开关周期开始，重复上述过程。
通过对电感电流进行采样并实施控制，使电感电流的幅值与输入电压同相位的正弦参考信号成正比，从而达到功率因数校正的目的。
同时根据输出电压反馈，利用乘法器电路来控制正弦电流，以获得稳定的电压输出。
图1三、关键电路设计与实例实例中涉及到的有关设计数据有：3.1 功率级电路分析由于稳态时一个周期内电感的平均电压为零，即维持伏秒平衡，于是有式中：TON--功率管S 导通时间TOFF --功率管S 关断时间输出电压式中：D 功率管S 的导通占空比，因D 总是小于1，所以占空比因输入电压故说明在半个电网周期内占空比是时变的。
有源功率因数校正技术(APFC)在开关电源中的应用研究近年来，开关电源因效率高，成本低，而在各个领域获得了广泛的应用。
但是采用传统的非控整流开关电源，由于输入阻抗呈容性，网侧输入电压和输入电流间存在较大相位差，加上输入电流严重非正弦，并呈脉冲状，故功率因数极低，谐波分量很高，给电力系统带来了严重的谐波污染。
为此，国际电工委员会早在90年代初就制定了IEC1000-3-2标准，严格限定设备的功率因数必须接近于1，提高开关电源的功率因数已经成为国内电源厂商的当务之急。
由于输入端有整流元件和滤波电容，单相AC/DC开关电源及大部分整流电源供电的电子设备，其电网侧功率因数仅为0.65左右。
采用有源功率校正技术后可提高到0.95～0.99，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。
有源功率因数校正主要是在整流滤波和DC/DC功率级之间串入一个有源PFC作为前置级，用于提高功率因数和实现DC/DC级输入的预稳，用作PFC电路的功率级基本上是升压型Boost变换器，它具有效率高、电路简单、适用电源功率高等优点。
开关电源同时是一个重要的电磁干扰源，所以减少和抑制开关电源的电磁发射成为3C认证中的关键，也是开关电源设计中的重要课题。
开关电源中的功率开关管在高频下的通、断过程产生大幅度的电压和电流跳变，从而产生强大的电磁骚扰。
滤波是压缩干扰频谱的基本手段，抗EMI滤波器是EMC技术的基础元器件之一。
在开关电源的滤波器设计中，磁性元件中电感的材料选取及电感取值的设定，对于开关电源的电磁兼容设计至关重要。
APFC控制技术原理APFC技术主要采用一个变换器串入整流滤波与DC/DC变换器之间，通过特殊的控制，一方面强迫输入电流跟随输入电压，从而实现单位功率因数；另一方面反馈输出电压使之稳定，从而使DC/DC变换器的输入实现预稳。
功率因数补偿控制专用芯片MC33262的电流控制方式是峰值电流控制方式。
它的基本思想是采用一个正弦基准电流作为上限，由输出检测信号经误差放大后与输入全波电压的检测信号相乘获得，下限则为零。
智能配电网中三相APF-STATCOM谐波、不平衡负载及无功电流复合控摘要:基于电能质量复合控制思想，针对智能配电网中谐波电流、负载不平衡、功率因数较低问题，给出一种谐波、负序及无功电流复合补偿策略，并给出关键参数设计方法。
相关APF-STATCOM仿真、实验验证及产品现场运行实测结果验证了复合控制思想及补偿策略正确性及可行性。
关键词:智能配电网；有源电力滤波器;静止同步补偿器；不平衡负载近年来，出于节能环保的考虑，配电网终端供电系统中电力电子变换装置应用越来越广泛，如照明、办公、空调、电梯等相关供电系统，但这类非线性电能变换装置在改善用户端电能质量同时，往往诱发配电网侧谐波及无功电流问题，线损、中线及变压器过热、电表计量不准，甚至保护误动作等现象时有发生。
传统无源滤波及投切电容器补偿尽管能够解决上述问题，且成本较低，但无法实时连续调节，存在过补偿、无功倒送甚至诱发配电网谐振可能性[1-3]。
为保障智能配电网终端用户高品质定制电力供应，随着瞬时功率理论及电力电子器件的发展，取代无源滤波及电容器无功补偿装置，其主电路拓扑结构及设计、谐波电流检测、补偿方法、控制及调制策略，以及启动特性均是业界研究及工业应用的持续热点话题[2-6]。
由于如今智能配电网中电能质量问题已经不再是一个单一的问题，而是一个非常复杂的系统问题。
如图1所示，某公用设施配电系统中同时存在谐波电流、负载不平衡及功率因数较低等问题。
电能质量复合控制技术逐渐被学术界及工业界提上研究日程[7-8]。
图1 实际配电网电能质量问题Fig. 1 Power quality issue in a real distributed grid本文研究了智能配电网环境下，同时面对时变谐波电流、不平衡负载及无功问题，给出一种谐波、负序和无功电流复合补偿策略，及其关键参数设计方法。
相关仿真、实验验证及产品现场运行实测结果验证了该控制策略的正确性及可行性。
APF-STATCOM电路结构及工作机理图2 并联APF-STATCOM框图Fig. 2 An APF-STATCOM diagram如图2所示，该并联APF-STATCOM采用两电平三相四桥臂电压源逆变器拓扑，其中前三桥臂实现谐波及无功补偿，第四桥臂独立用于控制中线电流。
采用并联通用内模的三相APF重复控制策略高峰【摘要】为了在高精度电流跟踪的前提下,提高三相并联型有源电力滤波器电流跟踪控制的适应性和动态性能,提出了一种基于并联通用内模的复合重复控制策略.并联通用内模能依据指令电流谐波成份的变化调节内模参数,改变内模的补偿范围,而且能将延迟时间缩短至同等补偿范围内模的一半,显著提高了重复控制器应对负载或谐波源变动的能力和动态性能.设计了基于并联通用内模的重复控制器,并采用插入式结构将其与比例控制组成了复合重复控制系统.详细分析了复合控制系统的稳定性、稳态误差和收敛性.将提出的复合重复控制策略应用到三相四线制电网并联APF系统中,并与其他控制策略进行了比较.仿真和实验结果证明了基于并联通用内模的复合重复控制策略的有效性和优越性.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2018(022)009【总页数】10页(P74-83)【关键词】有源电力滤波器;电流跟踪;重复控制;内模;三相四线制【作者】高峰【作者单位】西安建筑科技大学机电工程学院,西安710055【正文语种】中文【中图分类】TM710 引言现今电力需求不断攀升，同时电力用户对电能质量的要求也不断提高，用户的自动化程度越高对电能质量越敏感。
然而，随着电力整流器、开关电源和交流调速装置等众多电力电子装置的广泛应用，这些非线性负载已成为电网中最主要的谐波源，造成了电网电流波形畸变、无功功率损耗等日趋严重的问题，直接损害电网的电能质量。
在常用的谐波抑制和无功补偿方法中，有源电力滤波器(active power filter,APF)以其效果好、能实现动态补偿、装置体积重量小、适用于各种谐波源等优势成为最有前景的谐波抑制工具之一。
其中，并联型有源电力滤波器的应用最为广泛，其主要功能是实现补偿电流(输出电流)跟踪控制，从而依据抵消作用使流入电网的电流谐波基本为零，避免对电网的谐波污染[1]。
作为并联型APF的关键技术环节，补偿电流控制一直是研究的热点，其追求的目标是电流跟踪及时，稳态误差小[2]。
三相双开关PFC电路分析及在CCM模式下的控制策略APFC(active power factor correction)技术就是用有源开关器件取代整流电路中的无源器件或在整流器与负载之间增加一个功率变换器，将整流输入电流补偿成与电网电压同相的正弦波，消除谐波及无功电流，提高了电网功率因数和电能利用率。
从解耦的理论来看，三相PFC技术可以分成不解耦三相PFC、部分解耦三相PFC以及完全解耦三相PFC三类。
全解耦的三相PFC，如6开关全桥电路，具有优越的性能，但是控制算法复杂，成本高。
单开关的三相boost升压型PFC电路工作在DCM模式下，属于不解耦三相PFC，由于它的成本低，控制容易而得到广泛应用，但是开关器件电压应力大，电源容量难以提高，只适用于小功率场合。
部分解耦的三相PFC电路具有低成本、高效的特点，具有广阔的应用前景。
三相双开关电路就是典型的部分解耦PFC电路。
本文针对该电路的工作原理和控制策略进行了仿真和实验。
1 三相双开关PFC电路CCM下的工作原理1．1 主电路结构电路将三相交流电的中性线与2个串联开关管S1，S2的中点以及2个串联电容C1，C2的中点相连接，构成三电平(正、负电压和零电压)结构，2个串联电容分别并联平衡电阻R1，R2，使上、下半桥作用于电容C1，C2的输出电压相等。
电路结构如图1所示。
由于中性线的存在，上下半桥相互独立，形成部分解耦的基础，并且开关器件承受的电压只有输出电压的1／2，降低了对开关管的选型要求。
在此基础上提出一些新的双开关拓扑结构，但结构复杂，难以控制。
1．2 过程分析由上述分析，上、下半桥可作为独立结构分析。
以上半桥为例，等效电路图如图2所示。
由三相电压的对称特性，每2π／3的区间里，只有一相正相电压最大，如果能使每相的瞬时电流在2π／3的区间里跟踪其最大相电压，即可实现最大程度的电流校正。
根据这样的思路，现分析[π／6～5π／6]中a相电流的变化，因为这段区间Ua最大，可分3个阶段分析。
图1峰值电流型控制原理电路1引言近年来AC/DC 变换器的有源功率因数校正技术(Acti ve P ower F actor C orrection ,APFC )有了长足发展[1]。
在APF C 中关键是控制AC/DC 变换器网侧电流,使之跟踪网侧电压而变化。
为此,提出了多种控制网侧电流的方法,其中平均电流型控制方法具有明显的优点[1]、[2],因而受到人们的重视。
本文分析了平均电流型控制的基本原理和特点,并利用这一控制方法设计了一个单相APFC 电路,通过实际测试,证明平均电流型控制方法的优越性。
2平均电流型控制原理平均电流型控制是在峰值电流型控制基础上发展起来的一种电流型控制方法,它们均为双环控制系统,即一个电压环和一个电流环。
2.1峰值电流型控制以降压式电路为例(下同)。
如图1所示为峰值电流型控制的原理电路图[2]。
由图1可知,峰值电流型控制的根本特点在于,在电流环中它检测的只是开关电流的峰值,而无补偿环节因此,峰值电流型控制存在以下缺点[]①抗噪能力差;②需斜率补偿;③峰值电流与平均电流间的误差造成测量精度差;④仅适用于降压式电路,对升压式和反激式等电路不适合。
在APFC 中,升压式和反激式电路是优选电路,因此峰值电流型控制在APFC 中不具有优势。
2.2平均电流型控制如图2所示为平均电流型控制的原理电路图。
由图1可知,平均电流型控制与峰值电流型控制的不同在于,在电流环中引入了一个高增益的电流误差放大器。
电流误差放大器的同相端电压V C ,反映了所需编程电流的大小,检测到的电感电流经电阻变换网络R ,转换为电压信号送入电流误差放大器的反相端。
f 用来消除高频噪声,f z 、R f及R 实现对V 的运算。
电气传动自动化Electr ical Dr ive Autom a tion 第23卷第2期2001年4月Vol.23,N o.2Apr.,2001文章编号:1005—7277(2001)02—0038—03APFC 技术中的平均电流型控制及其应用研究陈丽敏(华北电力大学,河北保定071003)摘要:分析了有源功率因数校正(APFC)技术中的平均电流型控制原理及其特点。
