1、华中科技大学博士学位论文三相四线制三电平三桥臂APF关键技术及其控制研究姓名：唐健申请学位级别：博士专业：电气工程指导教师：邹云屏2010-05-29华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 I摘 要 近年，信息技术快速发展，信息传送方式变革，互联网应用大面积覆盖，大量的信息化设备以及周边设备爆炸式的投入使用。这些设备大都属于非线性负载，向电网注入大量谐波，三相四线制系统谐波污染问题正变得越来越严重，因此引起越来越多的重视。三电平三桥臂中点箝位(Neutral-Point Clamped，NPC)结构的三相四线制变换器用作有源滤波器(Acti
2、ve Power Filter，APF)，由于具有 du/dt 低、电流纹波小、开关频率低等优点，近年来越来越受到关注。三电平产品方面，最近两年相继有国内外公司推出了 400V/200V 等级的低压产品。然而，三相四线制三电平 APF 相对于两电平APF 结构更加复杂，此外直流中点电位不平衡难题也阻碍了 NPC 结构三电平 APF 的实用和推广。迄今为止，三相四线制三电平三桥臂 NPC 结构的 APF 的一些关键性问题，如中点平衡问题等，国内外尚没有比较系统的研究。本文主要对三相四线制三电平三桥臂 APF 的关键问题开展深入研究，所完成的主要研究工作和取得的创新性成果如下：(1)对多种主要的三
3、相四线制三电平 APF 拓扑结构的数学模型进行了详细的分析讨论，在 dq0 坐标系下建立了上述拓扑的统一数学模型，基于统一模型研究三相四线制三电平三桥臂电容中分 APF 时，上层控制律将具有较好的移植性，任何控制律只要对参数稍作修改就可以直接应用于另一种拓扑的 APF，不同拓扑 APF 的控制系统仅在下层调制策略上存在差异。(2)对造成直流中点电位偏移的电流、电压关系进行了详细分析，并基于分析结论提出了相关指标用于描述电流对直流中点的影响性质和影响程度。同时，还提出了相关评估指标用以评估中点平衡策略对中点电位的控制能力的强弱、有效与否，为研究中点控制问题奠定理论基础。(3)在0坐标系下对三电平
4、APF空间矢量合成方法进行了细致的分析研究，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”，有效的解决了小扇区中点电位不平衡问题。在 a b c 坐标系下提出了一种基于中点平衡因子的中点控制三维矢量调制策略，并对中点电位的控制能力进行了分析和评估。发现并解释了直流中点电位“自平衡”现象。(4)详细分析了数字 PI 调节器闭环系统的系统参数、设计方法和闭环系统的稳定华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 II条件，进而研究串联超前环节对系统相频特性的影响。利用状态反馈控制律将三相四线制 APF
5、 的闭环极点配置在原点，并利用谐波电流的重复特性设计了一种复合型的谐波电流预测器对谐波电流进行预测，配合状态观测器实现了三相四线制 APF 电流预测无差拍跟踪，有效改善了谐波补偿的稳态性能和动态性能。利用预测工具对传统的 PI电流环进行结构改进，PI 电流环的闭环频域特性得到有效的改善，通过合理配置 PI参数更可以使电流预测型 PI 内环实现谐波电流的无静差跟踪。(5)分析、建立了三相四线制三电平三桥臂 APF 直流侧 dq0 坐标系下的数学模型，深入分析论述了适用于三相四线制三电平三桥臂 APF 的直流电压控制器设计方法。针对直流电压启动过程中点电位难控制的问题，提出注入无功电流的解决方案，
6、有效解决了三相四线制三电平三桥臂 APF 启动过程的中点平衡问题，为其安全启动提供保障。(6)设计完成基于 TI 公司新型浮点型 DSP TMS320C28335 的三电平 APF 实验平台，满足三相四线制三电平三桥臂 APF 复杂的控制需求，对本文的研究内容进行实验验证。关键词关键词:三相四线制 有源电力滤波器 三电平三桥臂 三维矢量调制 中点电位平衡控制 谐波跟踪 直流电压控制 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 IIIABSTRACT In recent years,as the high speed development of
7、 the information technology,lots of information equipments and the correnlative electronic equipments are installed and employed in modern buildings.Most of these equipments are single-phase nonlinear loads which would produce a lot of harmonic current when working.The harmonic problem in power grid
8、 is becoming more and more serious.Using active power filters(APF)to compensate the harmonic current is a good solution to tackle the 3-phase 4-wire system harmonic problems.In recent years,because of the advantages,such as lower du/dt,smaller current ripple and lower switching frequency,the 3-phase
9、 4-wire tri-level three-leg neutral-point split APF is paid more and more attentions to.In the past two years,some foreign and domestic companies have begun to launch 400V/200V class tri-level products.However,due to the quantity of switches and the DC bus neutral-point unbalance problem,compared wi
10、th the two-level 3-phase 4-wire APF,the control of the tri-level one is much more complex.So far,some of its key issues have not yet been solved perfectly.In this paper,the following key issues of the three-phase four-wire tri-level three-leg APF is researched and some correlative research results a
11、re achieved:(1)The mathematic models of different structures of 3-phase 4-wire tri-level APF are analyzed and compared in detail.The unified mathematic model of the 3-phase 4-wire tri-level APF is deduced and established in dq0 coordinates.Based on the unified mathematic model to research the 3-phas
12、e 4-wire tri-level three-leg APF,the control scheme would be compatible among different structure of 3-phase 4-wire tri-level APFs.(2)The relationship between the outputted currents of APF and the DC voltages across the DC capacitors is detailedly analyzed.Base on the analysis results,an evaluation
13、index is proposed to evaluate the influence exerted by the outputted current of APF on the neutral-point potential.And meanwhile,another relevant evaluation index is proposed to evaluate the modulation schemes control capability of neutral-point balancing.(3)The modulation scheme for 3-phase 4-wire
14、APF in 0 coordinates is analyzed detailedly.The influence exerted by the 27 space vectors on the neutral-point potential under different conditions is researched.Based on the research results,a concept named neutral-point control grade is proposed to evaluate the influence exercised by the vectors o
15、n the neutral-point potential.Based on this concept,a novel space vector modulation scheme 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 IVwith neutral-point potential balancing capability is proposed for the first time.In this scheme,vectors with higher neutral-point control grade are selected to
16、approximate the reference vector.By this scheme,the neutral-point potential unbalance problem in the small sectors is effectively solved.In a-b-c coordinates,a novel neutral-point unbalance controllable 3-D space vector modulation scheme base on the neutral-point balancing factor is proposed in whic
17、h the vectors selection scope can be adjusted automatically according to the relationship between the outputted current and DC voltage.As many complex modulation conditions are unified to be three typical ones,this modulation scheme is very easy to realize by a DSP chip.The phenomenon named self-bal
18、ancing is discoveryed and explained.(4)The design method and stability condition of the current loop controlled by a PI controller is detailedly analyzed.Further,the error transfer function of the close loop system compensated by a cascaded lead compensator is established and analyzed.From the bode
19、diagram,its obviously that the amplitude-frequency characteristic of the system compensated by a cascaded 2-order lead compensator is effectively improved.The state feedback control is utilized to place the poles of the APF system to the original point of the z-plane.In this control system,a compoun
20、d repetitive harmonic predictor is designed to predict the harmonic current and meanwhile a state observer is utilized together to make the system realize deadbeat response.Improving PI current controller by the proposed prediction tools,the close loop frequency domain character of the PI control sy
21、stem is effectively improved.(5)The mathematical model of the DC side of the tri-level APF is deduced and analyzed in dq0 coordinates.The design method of the DC bus voltage controller is detailedly discussed.To tackle the neutral point potential unbalance problem in the DC bus voltage establishing
22、process,a reactive power injection scheme is proposed to solve this problem.(6)A control hardware platform with a TMS320C28335 float point digital processor(DSP)is designed and built to satisfy the high speed calculation requirement of the 3-phase 4-wire tri-level three-leg APFs.Keywords:Three-phase
23、 four-wire,Active power filter,Tri-level three-leg,3-D space vector control,Neutral-point balancing control,harmonic tracking,DC bus voltage control 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名
24、：日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在_年解密后适用本授权书。不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年 月 日 日期：年 月 日本论文属于 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 11 绪 论 1.1 三线四线制系统的谐波现状
25、 电网谐波源主要有两大类，一类是工业负荷产生的谐波，如机械制造、冶金、化工等行业；另一类来自于民用建筑。三相四线制系统在民用住宅、市政供电、中小型工厂供电中广泛应用。今天，越来越多的办公大楼和大型建筑物采用了大量新型照明设备，如大功率灯、荧光灯具和调光设备，这些新设备一般都属于单相非线性负载，其产生的谐波中含有较多的三次谐波等零序谐波1，这种零序谐波会在中线上叠加导致中线过载，引起开关误动作或中线烧毁等严重事故。2002 年，上海市电力公司对市区非工业用电用户进行的一次谐波调查，测试结果表明：数个被测试的居民小区馈电线中含有较高的 3、5、7、11 和 13 次谐波电流，且以 3 次谐波电流含
26、量最大。同时被监测的某一住宅小区 3 次谐波电流含量超过百分之十，致使供电母线电压畸变率达到 5%2。近几年，广东省对 220kV 和 500kV 电网进行监测的结果显示：在每天的总谐波畸变率变化曲线的两个高峰段中，其中一个高峰段出现在晚上 7 点至 10点，这恰好也是民用电的高峰时段3。在日本，1992 年日本电气学会发布的谐波调查报告显示，民用建筑产生的谐波占总量的比例超过 40%4，如图 1.1 所示。1997 年，0.00%5.00%10.00%15.00%20.00%25.00%30.00%35.00%40.00%45.00%楼宇铁路冶金机械制造公共事业化工其他制造业造纸业 图 1.
27、1 各行业的谐波比例 日本电气学会发表另一项有关谐波源的调查报告显示：办公及家用电器所产生的谐波华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 2占整个谐波源的 255。可见民用负载已经成为主要的谐波来源之一。此外，一些民间小型企业、工厂，直接从居民用电的 400 V 母线上受电，不但产生大量的谐波造成电压变动、闪变，更使居民受害匪浅。最近几年，高新技术突飞猛进发展，特别是信息技术的快速发展，信息的传送方式变革，互联网应用大面积覆盖，中国互联网络信息中心发布的第 24 次互联网络统计报告显示，截至 2009 年 6 月 30 日，中国网民规模达到
28、3.38 亿，大量的信息化设备以及周边设备爆炸式的投入使用6。由于这些设备大都属于非线性负载，向电网注入大量的谐波，三相四线制系统的谐波污染问题越来越不可忽视。1.2 三相四线制系统谐波造成的影响与危害 1.2.1 对电网的危害 大量的谐波注入电网对电网的安全、高效运行造成影响甚至会危及电网安全运行7,8：1.引起变压器发热：谐波电流中的 3m(m 为整数)次谐波在三角形连接的变压器中形成环流，造成变压器绕组发热；对于 Y 型连接中性线接地系统，零序分量倾入变压器中性线，造成中线发热甚至烧毁。2.引发继电保护装置误动作：继电保护装置如果按照负序(基波)分量整定其整定值，谐波电流叠加到原本整定较
29、小的整定值上，易引发继电保护装置的误动跳闸，产生严重后果。3.增加线路损耗甚至危及线路安全：谐波电流造成输电线路损耗增加，另外，如果输电线路为电缆线路，相比于架空输电线，其对地电容为架空线路的十倍至二十倍，而感抗为架空输电线路的 40%左右，谐波电流使得电缆线路发生谐振甚至击穿的可能性增加。4.危及零线安全 谐波中的零序分量通过零线回流，零线容量通常设计为相线的两倍，大量的零序分量注入电网会加重零线负担甚至造成零线过热、烧毁。华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 31.2.2 影响计量准确性、合理性 谐波电流与谐波电压的计量结果会产生谐波
30、电量。在电网电压波形完好即没有发生畸变的情况下，无论采用全波计量或是基波计量的计量仪器测量结果都是一致的。但是，大量谐波注入电网不可避免的造成了电网电压畸变，通常含有3次、5次、7次等谐波电压分量。对于非线性负载用户，如果采用全波计量的方式，假设各次谐波的cosn为负，则可以看成是用户谐波在对电网发电，必然造成少计量；如用户负载为线性负载，那么采用全波计量的计量方式又会造成计量值偏大。机械式电能表和普通电子式电能表一般在 350 Hz 以下都可近似地认为采用全波计量。故谐波电流会对计量的准确性合理性造成影响9。1.2.3 影响负载电能质量 大量谐波电流注入电网造成电网电压畸变，直接影响用户电能
31、质量10：1.影响电机使用寿命 高次谐波会导致电机铁心温度升高、工作效率降低。偶次谐波还会产生反向磁场,作用于电机转子的结果是产生谐波涡流损耗的同时使电机转子产生振动影响电机使用寿命。2.加速电容器老化 在电网中有大量并联的滤波或是无功补偿用电容器，电网谐波不但会加速电容器的老化，如果谐波频率正好处于电容器和电网、变压器等感抗的谐振点附近还会引起谐波放大，甚至造成电容器烧毁等严重事故发生。3.干扰通信系统 谐波对邻近通信系统造成干扰、影响通信质量；如果干扰严重或谐波源里通信系统的距离太近还可能造成通信信息丢失，通信中断等情况。1.3 三相四线制系统的谐波治理方案及相关标准 1.3.1 谐波治理
32、方案 三线四线制系统的谐波治理方案可以分为主动治理和被动治理。主动治理方案通过各种技术手段抑制、减少谐波源头向电网注入的谐波。以在整个工业用电中占有相当比例的机器制造行业为例,由于大量采用了6 脉波整流设备用于焊接、油漆等工艺，华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 4向电网注入了大量的 3、5、7、11、13 次谐波电流，如果采用高功率因数的高频 PWM 供电设备对电源进行升级换代，或者对大容量整流设备增加整流相数，可以从谐波源头大大降低谐波含量。该治理方案的主要问题是资金投入量大，一般的企业难以接受或认为没有必要为此投入大量资金。被动治
33、理手段主要通过对谐波负荷填加谐波吸收装置来补偿，使电网电流正弦化或降低其谐波含量。该治理手段根据采用的技术不同分为无源和有源两种：无源滤波装置利用LC电路的谐振原理对特定次的谐波电流形成低阻抗，达到抑制负载谐波电流注入电网的目的。其优点是结构简单，如图1.2所示，价格相对同样容量的有源滤波设备要低。其缺点在于补偿效果受系统阻抗影响大；谐振点由原件参数决定，故受到天气、环境以及原件老化引起的参数变化影响大；当电网电压发生畸变时，系统阻抗和无源滤波装置之间可能发生串联谐振，而在特定谐波电流作用下，系统阻抗则可能与滤波之路之间形成并联谐振 11,12。AeBeceNLoadsC3L3C5L5C11L
34、11ChLhRhC3L3C5L5C11L11ChLhRhC3L3C5L5C11L11ChLhRh 图1.2 无源滤波器结构示意图 有源滤波装置从提出概念至今已经有30余年的时间13，随着电力电子控制技术的不断发展14，电力电子半导体器件的出现、发展及容量的不断扩大，以及瞬时无功理论的建立15，有源滤波装置逐渐进入实用化阶段。现今的三相四线制有源滤波器主要华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 5有并联型和串联型两种结构，有源滤波装置本身的拓扑结构也多种多样。三个单相变换器构成的两电平或三电平三相四线制APF在结构、模型和控制上和传统的单相变
35、换器之间具有良好的共通性和可移植性，可以通过对三个单相变换器独立控制实现补偿、但是这种拓扑结构复杂，并且在补偿中线电流时需要三个全桥变换器之间交换信息，控制复杂，硬件开销大，实际应用中不多见。目前的研究和应用主要集中在三桥臂电容中分结构和四桥臂结构16-22。根据输出电压的电平数不同主要又可以分为两电平和多电平结构，如图1.3、图1.4所示。且在多电平结构中又以三电平NPC结构的三相四线制有源滤波器研究最为广泛23-27。目前，国外已有企业将三电平NPC结构变换器引入400V/200V的低压产品系列中如日本的安川电机28，而国内也有公司推出了三相四线制三电平有源滤波器产品，如和能工业29。Ae
36、BeceNonLinearLoadNAeBeceNonLinearLoad（a）三桥臂结构 （b）四桥臂结构 图1.3 两电平三相四线制有源滤波器 AeBeceNonLinearLoadNAeBeceNonLinearLoadM（a）三桥臂结构 （b）四桥臂结构 图1.4 三电平NPC三相四线制有源滤波器 四桥臂结构的有源滤波器和三桥臂相比优点在于各个桥臂可独立控制且有更高的华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 6直流母线电压利用率，缺点在于开关器件数量增加、成本上升，且N桥臂的半导体开关的额定容量应为其他各相桥臂的23倍30,31。而三
37、桥臂电容中分结构的有源滤波器直流中点直接和系统零线相连，故只需选用合适的导线既可代替四桥臂结构中的N桥臂，成本大为削减27。三电平NPC结构的三相四线制APF是三相四线制多电平APF中研究最多的一种形式，和两电平结构相比其优点在于du/dt小，电磁干扰低，相同采样频率下开关等效开关频率低，能够在不牺牲动态性能的前提下获得更低的输出电流纹波，是提高有源滤波器性能的理想方案32-38。同样，三电平有源滤波器有三桥臂和四桥臂两种结构，三桥臂结构的优点在前面已经介绍，然而三电平结构有直流中点不平衡的固有问题，在三桥臂结构中，由于零序谐波电流分量全部需要经过直流中点流回系统，故中点不平衡问题更为严重，四
38、桥臂结构同样存在直流中点不平衡的固有问题，但是由于零序电流不直接流经直流侧中点，故中点电位不平衡的问题没有三桥臂结构严重，但是成本却比前者高出不少。另外，三桥臂结构的三相四线制有源滤波器在功率单元结构上与三相三线制的三电平有源滤波器具有非常好的兼容性，唯一的区别是四线制有源滤波器需要从直流侧中点引出一根中线，这对降低其产品的工业化生产成本也具有重要意义。三电平三桥臂结构的有源滤波器及其相关关键问题是本文重点研究的内容。1.3.2 谐波相关标准 为限制谐波注入电网，世界上许多国家都制定了相关的谐波标准，如国内的GB12325-90供电电压允许偏差，GB/T14549-93公用电网谐波等标准 39
39、-41，国外的主要标准为IEEE STD 512-199242。表1.1、表1.2 给出了国标和STD512中关于谐波电流限制的主要指标。文献43在分析多个标准后给出以下评价指标：补偿后的网侧电流THD含量，对小容量用户为小于20%，对大容量用户为5%，补偿后的网侧谐波电流以20%为准则，以5%为较优效果。日本TOSHIBA在其有源滤波器产品系列中给出的性能指标标准为：对于25次以内谐波，补偿率80%，即当负载谐波含量为50%时，补偿后的网侧谐波应低于10%44。表 1.1 国标中注入公共连接点的谐波电流允许值 谐波次数及谐波电流允许值（A）标准电压（KV）基准短路容量（MVA）2 3 4 5
40、 6 7 8 9 10 11 12 130.38 10 78 6239622644192116 28 13 24华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 76 100 43 342134142411118.5 16 7.1 1310 100 26 2013208.5156.46.85.1 9.3 4.3 7.935 250 15 127.7125.18.83.84.13.1 5.6 2.6 4.766 500 16 138.1135.49.34.14.33.3 5.9 2.7 5.0110 750 12 9.66.09.64.06.83.03
41、.02.4 4.3 2.0 3.7谐波次数及谐波电流允许值（A）标准电压（KV）基准短路容量（MVA）14 1516171819202122 23 24 250.38 10 11 129.7188.6167.88.97.1 14 6.5 126 100 6.1 6.85.3104.79.04.34.93.9 7.4 3.6 6.810 100 3.7 4.13.26.02.85.42.62.92.3 4.5 2.1 4.135 250 2.2 2.51.93.61.73.21.51.81.4 2.7 1.3 2.566 500 2.3 2.62.03.81.83.41.61.91.5 2.8
42、1.4 2.6110 750 1.7 1.91.52.81.32.51.21.41.1 2.1 1.0 1.9 表 1.2 IEEE-519 标准关于谐波电流的限制 Harmonic Order(Odd Harmonics)%Isc/IL h11 11h17 17h23 23h35 35h TDD 1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0 Even harmonics are limited to 25%of the odd harmonics limits above.1.4 三线四线制三电平三桥臂有源滤波器的研究现状及关键问题 1.4.1 三电平三桥臂结构和其他三线四线
43、制 APF 结构之间的联系 采用四桥臂或三桥臂、两电平或三电平结构的有源滤波器，从电网侧看来，系统均为通过四线和变换器连接，然而根据中线连接方式的不同又可以分为直接连接和间接连接（通过电抗器连接）多种形式。在以往的研究中，这些结构大多被视为不同的拓扑进行分析、研究和设计控制系统，不同结构之间是否有联系、有何种联系鲜有分析研究26,27,30,31。因此针对某一种结构的有源滤波器的设计方法和研究分析结果也很难直接应用到其他结构的有源滤波器，在无形中增加了研究分析的重复性。如果能够通过某种形式在某种坐标系下建立或揭示不同结构之间的相互联系，则可能使三电平华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论
44、文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 8三桥臂结构的有源滤波器的某些研究结论或者控制方法直接应用到其他结构的有源滤波器中，反之亦然，则可在一定程度上增加研究的共通性，减少重复性的研究投入。1.4.2 直流母线中点电位不平衡问题及脉宽调制技术发展现状与存在的问题 中点电位不平衡问题是三电平变换器的固有问题，在三相三线制系统中已经有大量的研究对该问题进行过深入的分析和细致的研究45-49，例如文献50中提出的通过合理选择小矢量来控制中点电位的方法。对于两电平三桥臂结构的三相四线制有源滤波器，由于直流侧有上、下两个电容器，电容器的连接点(后称直流中点)又和系统中线相连，故因零序电流的作用
45、，直流侧中点也存在不平衡问题。由于两电平三桥臂结构的四线制滤波装置研究起步较早51,52，结构比较简单，已经有不少文献给出了其中点电位不平衡解决办法，例如文献53提出的利用PI调节器根据中点电位偏移情况调整零序电流补偿量的中点控制方法，并取得了一定成效。然而当三电平拓扑和三桥臂结构结合到一起时，问题就变得相当复杂：由于零序电流分量的作用，中点电位不平衡的本质原因和三相三线制相比发生了本质上的变化，在三相三线制APF中，由于没有零序电流分量存在，三相电流的和始终为零，这就为通过选择冗余矢量对中点电位进行控制提供了理论基础50，但是在三相四线制系统中，三相电流并不存在此关系，故三相三线制三电平系统
46、中点控制的理论基础就不复存在了；两电平结构的三桥臂四线制变换器中，影响中点电位的本质原因是零序电流的注入，故只要通过控制零序补偿电流便可以在一定程度上控制中点平衡53，当然，这是以牺牲零序电流的补偿性能为代价的，但是终归可以达到控制中点电位的目的。然而，三相四线制三电平三桥臂APF的中点电位的偏移机理和以上两者都不相同，因此不得不从全新的角度对该问题重新进行分析评估以寻求其解决办法。然而，迄今为止，对于三相四线制三电平结构，国内外大量的研究仍然把目光集中在变换器控制策略的研究上23-27,54,55，主要有基于0坐标系的三维调制策略(以文献 23 为代表)以及基于 a-b-c 坐标系的三维调制
47、策略(以文献 25 为代表)。对于 SPWM 的三电平控制方法，也有学者作了相关研究56。然而，上述研究对三电平三桥臂变换器的直流母线中点电位偏移问题几乎没有涉及，而这也是该拓扑变换器控制的关键和难点。大多控制策略都在假设中点电位平衡的前提下进行分析和研究，这必然给系统的工程应用带来困难，文献55对该拓扑 APF 的三维矢量调制策略进行了大量开创性的研究工作，在0坐标系下提出了多种不同的控制方法，如三华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 9维滞环控制、三维柱坐标滞环控制、三维合成矢量控制等。但这些方法都是在假设中点电位没有发生偏移的前提下
48、对变换器进行控制。针对中点不平衡问题，该文献也进行了一些初步分析研究，进一步指出三桥臂结构的三电平变换器因为中点不平衡问题直流侧须设计较大电容，较适合用于小容量的补偿系统，在出现严重不平衡时，提出采用停机的方式让直流电位恢复平衡的控制办法。在中点控制方面，文献26曾在 a-b-c 坐标系下提出过一种具有一定中点控制能力的调制算法，但其稳态性能未见报道。文献27以较大的开关损耗为代价，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控制，而滞环控制固有的在同等性能前提下所需开关频率高且开关频率不固定的问题限制了该控制方法的使用范围。1.4.3 三电平三桥臂有
49、源滤波器数字控制技术 随着微电子技术的高速发展，越来的多的中高端电力电子控制系统选择基于数字信号处理器的构架，利用数字控制技术对电力电子系统进行控制。对于三相四线三电平三桥臂APF，其控制系统需要满足以下要求：（1）电流环：足够的带宽，能跟踪一定频带范围内的谐波；（2）电压环：稳定的直流电压，降低直流侧电压波动对电流环的干扰；具有一定的直流中点电位平衡控制能力 （3）谐波检测：快速准确的分离负载谐波。三相四线制APF的电流控制技术系统根据控制系统的线性与否可以分为线性控制和非线性控制系统两大类57。线性控制系统由电流器加脉宽调制模块构成。表1.3给出了较为典型的控制策略58-64和调制策略65
50、-70，理论上控制策略和调制策略之间可以实现任意形式的组合。表1.3 主要线性控制策略 电流控制策略 变换器调制策略 PI控制 预测控制 空间矢量调制 无差拍控制 SPWM调制 重复控制 状态反馈控制 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 10 其中PI控制的优点在于结构简单工程实现方便，缺点是带宽较低，无法跟踪高频信号71。无差拍控制将闭环极点配置在Z平面原点，实现快速跟踪指令信号，然而没有任何预测手段的无差拍控制实际上为差一拍或者两拍控制，要实现真正意义上的无差拍即带宽无穷大，必须借助预测控制手段61。重复控制在闭环的前向通道利用控制
