有源电力滤波器的发展趋势暨三电平有源滤波器技术详解

一、        二极管箝位三电平技术

   二极管箝位三电平拓扑由日本学者Nabae. A 等人在1980 年提出，经过近30年的发展，广泛应用于电力电子技术的各个领域。二极管箝位三电平拓扑的优势在于，各个开关管承受的反向电压为直流母线电压的一半，可以用较低电压等级的开关管，组成较高电压等级的变流器。这个技术现在已经广泛的应用于中压大功率交流传动系统中。采用6500V等级的IGBT或IGCT的三电平中压变频器，已经广泛应用于4.2kV电动机传动系统。通常三电平技术一般应用于电压较高、功率较大的系统中，正是由功率器件耐压有限与变流器系统需求电压较高的矛盾现实决定的。但是我们应该看到二极管箝位三电平拓扑本身固有的一些优势。

（1）        用电压等级较低的开关管构成电压等级较高的变流器，随着功率器件技术的不断发展，市场上已经有6500V的IGBT出售，但是耐压越高的IGBT其开关损耗越高，最高开关频率也变得比较低。3300V以上的IGBT开关频率最高不会超过5kHz,1200V的IGBT的开关损耗远大于600V的IGBT。采用低压IGBT的三电平变流器的开关损耗远低于同样电压等级采用高压IGBT的两电平变流器，同时前者可以达到的开关频率也高于后者。

（2）        能够输出三种电平。二极管箝位三电平变流器能够输出正母线电压、负母线电压以及零电压（简称P、N、O）,一般情况下输出电压在P-O、O-N之间跳变，特殊情况下会出现P-N跳变，而两电平变流器只能在P-N之间跳变。也就是说三电平的电压跳变幅度为直流母线电压的一半，而两电平的为直流母线电压。高的电压跳变幅度对并网逆变器或有源电力滤波器带来的是较高的纹波电流，为了抑制纹波电流，需要较大的输出电感和滤波电容，由此带来了较高的纹波电流损耗。同时由于输出滤波电感电容也降低了电流响应速度，或对输出电流的能力产生了一定的限制。对于变频器带来的则是对电机的冲击以及较大的轴电流，严重影响着电机的寿命。另外，较高的电压跳变幅度也会产生严重的电磁干扰，对周边电子设备产生也重危害。而三电平以其固有的优势，在很大程度上解决了上述问题。


随着技术的不断发展，三电平技术被越来越多的人所重视，同时也将其从中压大功率领域，引入到400V的低压小功率应用之中，各个国际知名功率器件厂家推出了大量适应于400V系统应用的集成二极管箝位三电平功率模块，并有逐渐取代传统两电平变流器的趋势。应用于400V领域的成功的三电平产品如下：

（1）2008年日本安川电机推出了Varispeed G7系列通用矢量变频器，其400V产品采用三菱的三电平功率模块，并在应用中取得了巨大成功。

（2）2009年德州和能工业自动化有限公司在自主开发的三电平变流器控制技术的基础上，推出了HEINV系列三电平光伏并网逆变器，前端采用对称BOOST进行最大功率点跟踪，逆变器采用二极管箝位三电平拓扑，两者相互配合，采用Semikron的三电平功率模块，各项指标均优于同类两电平产品。

（3）2009年德州和能工业自动化有限公司推出了业界第一个三电平有源电力滤波器HESINE系列产品，并取得了巨大的成功。本文将对此系列产品做一个较为详细的说明。

二、        Hesine系列有源电力滤波器

将二极管箝位三电平技术应用于有源电力滤波器领域，国内外很多文献都有涉及，国内外许多专家学者对此都进行了比较深入的研究，也提出了很多新的算法。但是，三电平有源电力滤波器始终没有从实验室走向市场。究其原因，有可能是技术不够成熟，控制算法过于复杂，应用成本高，也可能是企业界对此不够重视，尚未认识到该技术的优势。德州和能工业自动化有限公司通过对三电平技术的深入研究以及对市场趋势的正确把握，在业界首先推出了三电平有源电力滤波器产品。

三电平有源电力滤波器与传统两电平有源电力滤波器相比有以下优势：

（1）        低纹波电流，高电流响应速度。

纹波电流和电流响应速度是矛盾的两个指标。作为有源电力滤波器，其基本原理是检测负载谐波，注入反相谐波，以谐波的相互抵消达到滤波的目的。一般的有源电力滤波器是一个电流模式控制的电压源逆变器。输出电流是通过逆变器输出的电压作用在输出电感上产生的。逆变器采用脉冲宽度调制，根据电工的基本原理，纹波电流决定于开关频率、直流母线电压、输出电感的大小，与电流环的控制无关。开关频率越高纹波电流越小、直流母线电压越高，纹波电流越大；输出电感越大，纹波电流越小。而逆变器期望的输出电流是由电流环所控制。有源电力滤波器输出谐波电流，如果按基波50Hz，补偿50次谐波计算，最高谐波频率将达到2.5kHz。有源电力滤波器对电流响应速度有很高的要求。电流响应速度与直流母线电压和输出电感大小有关。直流母线电压越高，电流响应越快；输出电感越大，电流响应越慢。我们期望输出纹波电流越小越好，电流响应速度越快越好，这是一对矛盾。从上述分析可以看出，两电平有源电力滤波器解决这个矛盾的办法只能是提高开关频率。现在某些厂家的两电平有源电力滤波器产品的开关频率已经达到20kHz。但是，开关频率的提高带来的是更高的开关损耗以及驱动损耗，有源电力滤波器的单机容量会受到限制，而对于更高电压等级的有源电力滤波器，高压的IGBT根本就不允许那么高的开关频率。然而，三电平有源电力滤波器从原理上就是一个解决上述问题的方案。三电平逆变器可以输出正、负、零三种电压，在计算纹波电流时，只需按直流母线电压的一半计算。由此，在相同开关频率、相同直流母线电压、相同纹波电流要求的前提下，三电平的输出电感为两电平的一半，同时器件的开关损耗和电感上的纹波损耗也会降低。在计算电流响应速度时，起作用的将是全部直流母线电压，而输出电感的减半，将加快电流的响应速度，增强滤波效果，提高单机容量。

（2）        提高系统耐压，应用于较高电压系统。

通常国内低压电网为400V，但是对于某些行业，其低压电网会比较高，例如石油钻机传动采用的是600V，矿山用电可能是690V或1140V，而某些行业的电压等级可能更加多样，但一般都是500V以上。如何解决这些行业谐波治理需求，是一个问题。通常为了提高电流响应速度、保证补偿效果，处理谐波的有源电力滤波器比处理基波的变频器或并网逆变器需要更高的直流母线电压。通常两电平逆变器的直流母线电压是交流电网电压有效值的2倍。对于380V应用，直流母线电压一般在700V～750V，而对于600V，直流母线电压需要达到1200V。很多企业的做法是加一个变压器，将其他等级的电压变为400V。通过谐波的变压器是经过特殊设计的，价格比较高，体积也比较大，变压的损耗也会比较大。而采用三电平技术，可以用耐压较低的管子组成耐压较高的变流器系统，可以直接连接到电压较高的电网上，同时保证较好滤波效果和单机容量。

正是基于上述优点，德州和能工业自动化有限公司在本公司三电平变流器控制技术的基础上，紧密跟踪行业发展趋势，推出三电平有源电力滤波器产品。同时，我公司愿与业内同行企业合作，共同推进三电平有源电力滤波器的应用，为中国电能质量事业做出贡献。

作者：德州和能工业自动化有限公司