三电平四桥臂有源滤波器主电路参数设计

三电平四桥臂有源滤波器主电路参数设计

王艳

（昆明学院云南省昆明市650032）

摘要：滤波器各个元器件的选取对其控制性能有着至关重要的作用。由于大功率开关器件及线路元件价格昂贵，选取合适的参数使得滤波器既能达到控制性能的要求，又可以使得滤波器的设计价格经济合理。三电平四桥臂有源滤波器主电路参数设计主要包括功率开关器件选型及其驱动电路设计、直流侧储能电容的选取和进线电抗器参数设计。根据容量选取各个检测元件的型号。对于断路器，熔断器及继电器的选取也要考虑元器件的参数，确保准确快速的切断故障电路。本文只针对有源滤波器主要参数设计进行介绍。由于直流测电压，电抗器，功率器件对补偿效果至关重要，所以下面对这些参数的选取进行介绍。

关键词：三电平；四桥臂；参数设计

1.引言

随着非线性负载和各种民用负荷在电网中的广泛应用，使得三相四线制系统的中线谐波问题逐渐引起人们的关注。并联型有源滤波器能对频率和幅值都变化的谐波跟踪补偿，补偿效果良好，被公认为是治理电网谐波及无功污染、改善电能质量最有效的手段，因而在国内外都受到了广泛的重视。就综合补偿能力而言，较常见的三种四线制有源滤波器结构（三单相全桥结构、电容分裂式结构和四桥臂结构），四桥臂结构是最优的选择[1-3]，而多电平技术使有源滤波器可以具有更高的电压等级和装置容量，输出波形质量更好，本文以三电平四桥臂有源滤波器做为研究对象，对相关参数的选取进行了介绍[4-6]。

2.功率开关器件IGBT选型

本文设计的是30KVA的三电平四桥臂有源滤波器装置。选用英飞凌公司的IGBT模块搭建主电路拓扑。因为滤波器需要补偿高频谐波信号，所以要求IGBT可以承受较高的开关频率。考虑到流过IGBT的电流及散热，有工程经验公式

（1）

其中：为设计容量，为过载倍数（设计时取），为考虑到电流脉动的脉动因数（一般取%），代表交流线电压有效值，为功率因数，为变流器输出效率（设计时取）。

按照容量30KVA设计，并将各个系数带入公式可得，正常工作时峰值电流，为了以后进行更大功率的实验验证，选取2-3倍电流的裕量，实际中使用型号为FF750R17IE4，其工作电压1700V，工作电流750A。

3.连接电抗器参数设计及选型

连接交流侧电源与直流侧电容的是连接电抗器，在短暂的一个开关周期中，在电感两端电压差值确定的情况下，电感的大小决定了主电路电流变化率。变化率越大补偿速度越快，补偿能力越强，反之补偿能力越差。电感过大，电流跟踪速度慢，物理体积大，较为笨重，且价格昂贵。电流太小电流纹波过大，可能造成电流失控烧毁开关器件[7-9]。

根据调制策略，矢量作用的时间不会超过，且每次电压跳变的最大值为。在一个开关周期内，认为直流侧电容电压和电源电压大小基本保持不变，则一个开关周期流过电感电流变化率的最大值利用如下公式可得：

（2）

根据滤波器补偿的谐波次数，选择合适的开关频率。在确定了之后，电感的最小值可由下式计算：

（3）

确定直流侧电压大小的情况下，在仿真的基础上，改变电感大小，观察电流跟踪效果，确定最大的电感值。的选取满足，在此范围内，结合控制策略和调制算法，观察电流响应和纹波，选择在此基础上，在电流响应速度和电流纹波之间进行折中，同时考虑电感的价格，实现最优配置。

4.直流侧电容的参数设计及选型

在并联有源滤波器中，直流侧电容理论上越大越好。但这是不是实际的。实际中，电容的作用是要保证直流侧电压波动在一定范围内，有式：

（4）

其中，为直流侧电压的波动系数，要求不大于5%。

在一个内，有源滤波器最大能量交换设为，从能量角度考虑，有：

（5）

由式（4）和式（5），可得

（6）

此式可得电容的最小值，结合实际中仿真效果，选取直流侧电容为2400。

5.实验结果

图1直流侧电压波形

图2补偿后A相电流波形

图3补偿后中线电流波形

图1给出了直流侧电压波形，从图中可以看出电压比较稳定。图2为补偿后A相电流电压波形。可以看出补偿后电压电流基本保持同相位。图3为补偿后中线电流波形，可以看出补偿后中线电流基本为零。实验结果验证了以上参数选取在三电平四桥臂APF系统中应用的合理性。

6.结论

本文虽然设计了样机，对所选取的参数进行了实验，但距离实际做出产品还有很大的差距。对于实际产品，器件的使用还有不合理之处，为了获得更好的经济效益应该合理选择硬件。

参考文献：

[1]毛苏闵．三相四线制并联型有源滤波器的研究[D]．徐州：中国矿业大学，2009，6．

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[3]AredesM，WatanabeEH.NewControlAlgorithmsforSeriesandShuntThree-PhaseFour-WireActivePowerFilters[J].IEEETrans.PowerDelivery，1995，10（3）：1649-1656.

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[5]瞿文龙，刘可等.一种大容量IGBT的驱动和快速保护方法[J].清华大学学报，1996，36（5）：94-100.

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[9]A..M.Massoud，S.J.Finny，B.W.WilliamsPredictiveCurrentControlofaShuntActivePowerFilter[C]PowerElectronicsSpecialistsConference，IEEEpp.3567-3572（2004）

作者简介：

王艳1988年，女，汉族，山西省霍州市，研究生，助教，昆明学院，电网谐波治理，邮编650032。