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第22届伊朗电气工程会议（ICEE 2014），2014年5月20日至22日，沙希德·比什蒂大学

基于SHM-PWAM调制技术的三相四桥有源电源滤波器

摘要：本文针对三相四桥并联有源电力滤波器（APF）提出了基于脉宽和幅度调制（PWAM）概念的选择性谐波抑制（SHM）策略。主要用于通信系统中的脉冲幅度调制（PAM）与PWM同时施加到三相四线路逆变器。这导致与常规的基于PWM的策略相比，减轻更多谐波的系统自由度的增加。使用基于傅立叶的方程来数学表示以减轻较低阶非三次谐波的三个支路的控制信号以及第四支路产生等于由其它支路产生的较低阶三次谐波的谐波。仿真结果表明，从THD的观点看，SHM-PWAM技术优于传统的SHM-PWM。

关键词：选择性谐波抑制;脉冲幅度调制;三相四线有源电源滤波器。

I.引言

随着在工业应用和分配系统中的静态功率转换器或非线性负载的激增，谐波的补偿正变成重要的关注点。 许多电源质量扰动，例如谐波污染，不平衡负载电流和功率问题是由非线性负载引起的。 分流器有源电源滤波器（APF）被认为是电源质量日益严重的问题的实际解决方案之一。 有源电力滤波器的主要组成部分是电压源逆变器[1]。通常，已经提出了用于四线逆变器的两种类型的结构：具有直流链路电容器和四个支路逆变器的三相逆变器（图1）[2,3]。如今，在许多应用中，对于用于三相四线应用的四腿逆变器非常感兴趣。 因为三相四桥臂逆变器拓扑结构更优越。

图1.四线逆变器：a）三相四线逆变器，具有直流连接电容器b）三相四分支逆变器

通过三线式，在电源开关的工作模式下，数量和补偿性能[1]。这些系统中使用的主要控制方法是需要高开关频率的三维空间矢量调制（3-D SVM）[4]。虽然使用高开关频率导致较低的谐波失真和较小尺寸的滤波器，但是逆变器功率损耗显着增加。在这种条件下，逆变器的适当控制方法之一是选择性谐波抑制（SHM）[4]。在[5] - [7]中，提出了选择性谐波抑制（SHM）策略。代替设置等于零，在该策略中通过最小化目标函数来减轻每个谐波水平。 SHM-PWM策略中的缓和谐波的阶数与脉冲数成比例。换句话说，减少更多的谐波意味着需要更多的脉冲，从而更高的开关频率和耗散功率[8]。这是由于这种策略中唯一的自由度是脉冲宽度调制的缘故。这意味着为了实现期望的输出性能特性，大多数SHM策略仅使用PWM技术。考虑到主要用于通信系统中的脉冲幅度调制，增加了系统的自由度以实现期望的输出性能特性[8]。在本文中，介绍了三相四脚APF的选择性谐波抑制脉宽和幅度调制（SHM-PWAM）控制策略。三腿的控制信号使用基于傅里叶的方程来表示以减轻较低阶非三次谐波，第四腿产生等于由其它腿产生的较低阶三次谐波的谐波[2]。本文组织如下：在第二部分，介绍了三相四线制逆变器的SHM策略。第三节和第四节分别描述了电路实现和仿真结果。最后，本文的结论在第五节详细说明。

Ⅱ提出了三相四边形APF的SHM_PWAM策略

A.SHM-PWM的原理。

该方程可以用于获得1到n阶谐波的幅度。SHM-PWM策略在[5] - [7]中完全解释。 它基于这样的想法，即当谐波含量保持在可接受水平以下时，不必将谐波含量降低到零。SHM-PWM策略导致解决以下非等效系统：见公式(1)（2）（3）

由于波形的半波对称性，所有偶数编号的bn系数为零。 假设输入电压为2E，n次谐波为：公式4

该方程可以用于获得1到n阶谐波的幅度。SHM-PWM策略在[5] - [7]中有了完全解释。 它基于这样的想法，即当谐波含量保持在可接受水平以下时，不必将谐波含量降低到零。

SHM-PWM策略可以解决以下非等效系统：公式5

其中Lj是由标准施加的最大允许电平，Ma是调制指数。在所提出的SHM-PWAM控制策略中，逆变器的直流源值（E）已被用作与开关角一起的自由度。 换句话说，保持E值恒定不再是解决从（5）获得的方程中的限制约束。 相反，E的值可以在零和Vdc之间变化，增加等式的数量和自由度。 这种方式，与常规SHM-PWM控制策略相比，使得更多的低阶，奇数，非三倍数的n次谐波得以减轻。

遗传算法（GA）以具有目标函数的优化问题的形式来解决这些不等式定义为：公式6

为了给方法提供更大的灵活性，OF提出（6）中的（1）可以重写为：

Objective Function = F (theta;1 ,...,theta;n , E ) = sum; ci Ai2 (7)

i=1,5,...,49

OF的ci系数被建模为非线性（2）职能，一般来说，已执行如下：

if (Ai lt; rho;Li ) ci =1

else (8)

ci =lambda;p

其中rho;isin;（0,1]是被定义为罚因子（lambda;p）的最大允许水平Li的安全余量[5,6]。使用优化技术，来自（7）的包含逆变器电压电平的值和开关角度的答案被发现受到以下限制：见公式（9）（10）（11）（12）。

UA(pV(p).u.)

2

1

0

-10 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

time (s)

1.5

time(s)time (s)

图2.控制信号：a）用于支路A，UA b）用于支路F，UF。

delta;，是开关的最小允许脉冲宽度，它是假定为0.01rad。 然后保存优化的答案在查找表（LUT）中。

B.控制原理

根据SHM-PWAM原理，在A腿的中点处的三n次谐波可缓解。 将（5）中的相应项与Lj，（k）独立的开关角度和最佳的直流输入电压源，对于支路A，可以计算。 开关角度对于腿B和C可以通过移位120o获得。通过placementtheta;1，，theta;k和最佳直流输入电压源下面的公式，可以计算出振幅A腿中点的零序谐波：公式（13）

根据图2.b，对于腿F，（m）切换方程（14）表示在支路F的中点的每个谐波的幅度等于在支路A的中点的每个零序谐波的幅度。 以这种方式，可以消除支路A的三次谐波的影响。 用于支路F的控制信号的基本频率应当与其它三个支路的控制信号的基频相同，以便保证在支路F处没有额外的低阶谐波。III。电路实现SHM-PWAM控制战略SHM-PWAM电路在三相四线实现逆变器需要实现PWM和PAM独立但同时。 PWM实现是与传统的SHM-PWM策略相同。然而，对于PAM实现，可控直流源是需要。另一方面，在各种应用中使用低频率控制策略，如有源电源滤波器等电驱动元件，电源再生是不可避免的。为了满足这些条件存在可控整流器，包括晶闸管整流器，是必要的[9]。然而，晶闸管整流器的开关频率为等于线路频率，这使输入电流失真波形。这些整流器也不能校正输入功率因数接近单位值。因此，最多适当的选择实现PAM是使用PWM整流器配置。除了直流源控制和角度，beta;1，beta;，beta;m被考虑。这些切换角度是通过应用（13）和以下等式获得：公式（14）

方程（14）表示，在腿F中点的每个谐波的振幅等于每一个零谐波的振幅在腿A的中间点。这样，对腿triple-n谐波的影响可以消除。腿F的控制信号的基本频率应为其他三条腿的三倍，以保证没有额外的低阶谐波在腿F。

III.基于shm-pwam控制电路的实现策略。

shm-pwam电路实现三相四腿逆变器需要实现PWM和PAM同时独立。PWM实现与传统的shm-pwm策略相同。然而对于PAM的实现是可控直流电源需要。另一方面，在各种应用中使用低频率控制策略，如有源电力滤波器和电气传动、动力再生是必然。为了满足这些条件下可控整流器的存在，包括晶闸管整流器，是必要的[ 9 ]。然而，在晶闸管整流器的开关频率等于线频率，它扭曲了输入电流波形。此外，这些整流器不能纠正输入功率因数接近单位值。因此，最实现PAM的适当选项是使用PWM整流器配置。除了直流电源控制和功率再生能力，PWM整流器也正确输入功率因数，提高输入电流波形[ 9 ]。

IV。 模拟结果

在本节中，模拟了三相四线电压源逆变器PWM整流器 - 逆变器系统，实现了新颖的SHM-PWAM（新型模式）和常规SHM-PWM（常规模式）控制策略。 系统配置如图6所示。 三相不平衡非线性负载如图7所示，用于测试有源电力滤波器的性能。 仿真模型使用MATLAB构建。 这两种策略从总谐波失真（THD）的角度进行比较。

图3.使用可控整流器实现PAM

图4.桥式连接中的单相PWM整流器

图5. PWM整流器的控制方案。

图6.使用三相四线变压器的APF的系统配置。

图7.三相平衡非线性负载。

每种模式的目标函数如表1所示，仿真系统参数如表2所示。

表1：两种模式下三相四桥臂逆变器的目标函数

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