关键词：有源电力滤波器；模块化多电平换流器；特征次谐波补偿；小功率实验

ABSTRACT: As a kind of harmonic suppression device used in power system, active power filter has the advantages of good harmonic suppression effect and fast dynamic response. Traditional APF generally uses two-level and three-level structures, which is difficult to meet the demand of high voltage and large capacity. This paper studies the APF structure based on MMC. The traditional APF control idea is to compensate the harmonic in the load distortion current completely, considering the specific order harmonics of power system are 5, 7, 11 and 13, a detection and control algorithm based on specific order harmonics compensation is studied in order to reduce the compensation capacity of APF. 

KEY WORDS：Active power filter; Modular multilevel converter; Specific order harmonics; Small power experiment 

1  引言

电力电子非线性负载会对电网电流造成谐波污染，而有源电力滤波器（active power filter，APF）是一种广泛应用于谐波抑制的电力电子装置^[1,2]。

目前APF主电路结构主要以两电平、三电平和级联H桥结构为主^[1-8]。模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）作为一种新型的拓扑结构，具有高度模块化、多电平输出、易于实现电压等级提升等突出优点，在高压大功率场合具有良好的应用前景，尤其近几年在柔性直流输电领域获得了广泛的应用和发展^[9,10]，而将MMC应用于电能质量治理方面的研究尚处于起步阶段^[11]。

传统的APF控制策略是对负载谐波电流进行完全补偿，鉴于电力系统的特征次谐波以5、7、11、13为主，本文研究了基于特征次谐波补偿的检测控制算法。

特征次谐波补偿主要有以下两个优势^[12,13]：（1）减小APF的补偿容量；（2）APF与无源滤波器配合使用，无源滤波器滤除高次谐波，APF对低次谐波进行补偿。

通过小功率实验验证了MMC-APF系统特征次谐波补偿算法的有效性。

2  改进方案的基本原理

2.1  MMC-APF主电路结构

本文研究的MMC-APF主电路结构如图1所示。三相MMC主电路每相分为上、下两个桥臂，每个桥臂由电感L和N个子模块(sub-module, SM)组成，SM采用半桥结构。MMC工作时，任意时刻每相有N个SM投入工作，以维持直流电压Udc的恒定。

图1  MMC-APF主电路结构

Fig.1 Main circuit structure of MMC-APF

2.2 特征次谐波补偿控制算法

通过以上理论分析可知，当m取值等于特定次谐波次数n时，即通过把任意交流信号通过作n倍基波频率下的d-q变换后，该交流信号中的第n次分量可以转化为直流量。与传统dq0法相似，再通过低通滤波器就可以将该交流量中的其他高频成分滤除从而得到第n次谐波分量的d分量和q分量。最后通过作n倍基频下的反变换得到负载电流中第n次谐波^[14]。

第n次谐波补偿控制算法的控制框图如图2所示。

图2  特征次谐波补偿控制框图

Fig.2 Specific order harmonics compensation control diagram

首先，三相电压通过n倍频PLL得到第n次谐波的参考相位和频率。通过对畸变负载电流作n倍基频下的同步旋转坐标变换，并对变换后的d-q分量分别进行低通滤波。通过滤除高频成分继而得到第n次谐波电流在该特定次谐波频率旋转坐标系下的有功分量和无功分量。同理可将APF端口输出补偿电流作n倍基频下的同步旋转坐标变换，并对其变换后的d-q分量进行低通滤波得到补偿电流中第n次谐波补偿量的d-q分量。后经PI控制器实现误差跟踪控制，最后经dq-abc的反变换得到第n次谐波的电压型指令信号。

3  实验验证

搭建小功率MMC-APF实验装置。其中，三相交流线电压30V，直流母线电压100V，桥臂子模块数2个，子模块电容值500μF，桥臂电感值3mH。

图3中负载三相电流存在严重畸变，图4中经MMC-APF补偿后网侧三相电流正弦性得到极大改善，谐波畸变率THD值由之前的26%降低为3.9%。图5中桥臂两个子模块电容电压均稳定在50V，子模块电容电压平衡。

4  结论

本文研究了模块化多电平有源电力滤波器的特征次谐波补偿控制算法，通过小功率实验验证了算法的有效性。

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