三相四线制三电平三桥臂有源滤波器中点平衡控制策略

　　0 引言

　　三相四线制系统在工厂供电和城市供电等电力系统中广范应用，谐波污染、中线过流等问题日益受到重视。利用三相四线制有源滤波器对系统谐波、中线电流和三相不平衡进行补偿的方法受到越来越多的关注、研究和应用[1-11]。基于二极管箝位多电平拓扑的有源滤波器(active power filter，APF)，因其开关应力小、开关损耗低在大容量解决方案中受到重视[12-16]。三相四线制 APF 主要有三桥臂和四桥臂两种结构[17]，其中四桥臂结构的 APF 较之三桥臂有更强的零序补偿能力，但其主电路和控制电路分别需要更多的开关器件和控制芯片，在很大程度上提升了成本[18]。本文所研究的三相四线制 APF采用三桥臂结构作为主电路拓扑。对于三相四线制三电平三桥臂 APF，如何抑制直流母线中点电位偏移是控制的关键和难点，以往关于该结构 APF 的研究大都专注于矢量的调制算法[17,19-20]，对中点平衡问题研究不多。

　　文献[21]曾在 abc 坐标系下提出过一种具有一定中点控制能力的调制算法，但稳态表现未见报道;文献[22]以较大程度地牺牲开关损耗为代价，在中点控制问题上取得了一定突破，但其中点控制策略仅针对滞环控制系统，并不适用于空间矢量调制。本文详细分析了 27 个三维矢量在不同状态下对中点电位的影响，提出了“中点控制度”的概念，并基于此概念提出了一种基于坐标平移原理的“三维矢量优化选择调制策略”，通过优化选择中点控制度较高的矢量来合成目标矢量，达到抑制直流中点电位偏移的目的。

　　基于 Matlab/Simulink 的仿真分析，验证了本文提出的调制策略的正确性及其对中点电位控制的有效性。仿真和实验结果表明，采用该调制策略的APF 可有效控制中点电位且补偿效果良好。

　　1 三电平 APF 的三维空间矢量及其分布

　　图1为三相四线制三电平三桥臂APF的主电路结构。

　　2 三维空间矢量的中点控制度

　　三相四线制三电平三桥臂 APF 共有 27 个三维矢量，每个矢量对直流侧中点的电位的影响都不相同。即使同一矢量，当直流中点电压偏移以及 APF输出电流 isa、isb、isc方向不同时，矢量对直流中点的影响程度也不完全相同，因此在这里提出了“中点控制度”的概念，用“中点控制度”来描述各种状态下矢量对中点电位的影响程度。

　　根据矢量对直流侧中点电位影响是有益(抑制中点电位偏移)还是有害(加剧中点电位偏移)、影响的程度有多深，将中点控制度分为 7 个等级，用 3、 2、 1、0、+1、+2、+3 表示。其中+1、+2、+3表示在该矢量作用下中点电位偏移减小; 1、 2、 3 表示在该矢量作用下中点电位偏移增大;0 表示无影响。影响程度由中点控制度的绝对值决定，绝对值越大，影响越明显。为了便于分析，将第 2 节中定义的开关函数作进一步分解如下：