基于多电平有源电力滤波器研究
摘要：为了提高谐波检测的精度和灵活性，采用了卡尔曼滤波原理和自适应线性神经元(ADALINE)组合进行控制。基于自适应线性神经元结构的谐波检测方法，通过适当的变换后，可由该算法直接分离出负载电流基波各序分量及谐波分量，并按不同的补偿目标和有源电力滤波器容量要求进行多种的组合。该方法具有消除锁相环、Park或Clark变换方法的优点，三相电网畸变时还能保证足够的精度。
关键词：MMC;电力滤波;自适应线性神经元;
0 引言
MMC作为一种新型的拓扑结构，具有高度模块化、多电平输出、易于实现电压等级控制等优点，在高压大功率场合具有良好的应用前景，尽管MMC有源滤波器能够有效的补偿接入点电压不平衡的大多数谐波，但当电网有单相大容量的接入与断开时，电网由平衡向不平衡变化，会产生额外的正序负序谐波，这种变化对于MMC-APF在PCC不平衡条件下维持高性能的补偿带来了很大的挑战。
本文提出了一种基于MMC 的并联有源滤波器，用卡尔曼滤波从电源电流的基本分量快速估计正序电流，由于负序分量和零序分量会降低APF的谐波补偿效率。采用Adaline作为谐波的检测方法，实现了良好的谐波补偿。通过MATLAB仿真分析，表明了本文所提控制策略的有效性。
1 并联有源电力滤波器结构
本文的拓扑结构选择模块化多电平变换器(MMC)逆变系统结构，分布式模块化多电平结构利用率高，鲁棒性强。图1所示为分布式模块化多电平结构，由三相六个桥臂组成，每一相有两个桥臂，每个桥臂中有N个子模块、1个缓冲电抗器组成，上下桥臂的公共点部分接入电网。其子模块系统称为SM。
SM为MMC子模块，每个SM由两个二极管、两个IGBT组成。从图1所示的系统结构中可以看出，MMC逆变并网系统由上下两个桥臂组成，同时通过N个SM和一个电抗器串联组成了每个桥臂。当SM中的IGBT开关管处于不同的状态时，电容电压也会随着变化，根据开关管的开关情况一共分为3种工作模式，7种工作状态，在这里不再熬述。如果要对输出的电压进行控制，可以通过改变子模块的的投入和切除数量来实现。并联有源电力滤波器的主电路结构采用模块化多电平变换器(MMC)，控制框图如图2所示。
2 ADALINE对谐波幅值估计
Adaline网络是用来识别畸变波形中的电流谐波，在我们的应用中，这是根据直接法实现的，这意味着Adaline直接工作的空间的测量电流的供电网络。因此，三个Adaline网络必须用于三相供电网络。每一个都可以分解成傅立叶级数：
在这个表达式中，I s表示电流源，I sf表示基波分量，Ish为谐波电流分量。电流I sf,I sh表示为:
在前面的表达式中，ω是基频，α为电流与负载电压之间的相位，I11,I 12基波电流的正弦和余弦分量，I n1和I n2是谐波电流的正弦和余弦频率分量。谐波分量的识别是实现与一个Adaline为每个相位。如图3所示，(1)中电流的表达式可以写成线性组合，可以通过Adaline网络学习:
x(t)是网络输入向量，WT是一个加权向量，输入向量的选择如下:
然后，经学习收敛后，Adaline的权值为
基波电流幅值将由Adaline的权重W0(k)，乘以cosωt和sinωt来确定，如下所示：
一旦确定了基波电流，用测量电流减去由Adaline估计的电流的基波分量，就可以得到谐波电流。这可以表示为：
3 仿真分析
图4为谐波补偿后三相电流基波分量，可以看出电流呈明显的正弦分布，波形得到很好的改善。图5为基波电流FFT分析，其显示基波电流总谐波畸变率为2.78%，小于5%，可见此方法提取的基波电流畸变率符合电网标准。
4 结论
本文采用了新型控制算法，用自适应线性神经元(Adaline)结构来进行滤波，为谐波检测进行了新的尝试，直接对负载的各序电流以及谐波电流提取，可以克服电压畸变及不对称的影响，并根据需要灵活调整谐波检测目标，能够提供APF所需的参考指令电流。在Matlab/Simulink电力电子工具箱上的仿真结果表明了该方法的有效性。
参考文献
[1]Y.Han,L.Xu,M.M.Khan,C.Chen,G.Yao and L.Zhou,“Robust Deadbeat Control Scheme for a Hybrid APF With Resetting Filter and ADALINE-Based Harmonic Estimation Algorithm,” in IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.58,no.9,pp.3893-3904,Sept.2011.
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作者：李凯飞 李又丰 单位：黑龙江科技大学电气学院
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