1 引言

近年来，随着电力电子技术的快速发展，电力电子装置被广泛的使用，它们给电能变换和应用带来巨大方便的同时，也使得电网谐波污染变得日趋严重。因此，采用有源电力滤波器对电网谐波进行有效的补偿越来越受到重视，在国内外掀起了研究的热潮。

大量的科研机构和个人对三相四线制APF 的拓扑结果，谐波快速检测和控制算法都进行了大量的研究。直流侧电压的控制是APF 的关键技术之一，直流侧支撑电路的可靠和稳定运行对整个系统至关重要。

目前的APF 主电路中，直流侧支撑电容普遍选择铝电解电容，它具有容量大、成本低等优点，但是其ESR 大、寿命短、可靠性低等很明显的缺点，成为影响APF 系统安全、可靠、长时间恶劣电磁环境稳定运行的短板。电容中点式三相四线制APF 中，电容上会流过很大的零序电流，尤其是要求具备3 倍相线滤波能力时，对直流侧支撑电容的耐纹波能力要求很高。

本文的方案设计中使用选择薄膜电容替代电解电容，通过仿真对比试验，验证了在APF 主电路中，薄膜电容替代电解电容的合理性，提高了整个系统的可靠性。直流侧电压值要大于电网线电压的峰值，这是APF 正常工作的一个前提，同时给出了维持在线性调制范围内需要的直流侧电压最小值。

2 电容中点式三相四线APF 基本拓扑

电容中点式三相四线APF 的主电路拓扑结构，其由三桥臂逆变电路构成，如图1 所示。图中ifa、ifb、ifc为APF 输出三相电流；isa、isb、isc为系统三相电流；ila、ila、ilc为非线性负载三相电流；ifn为APF 输出的中性线电流；iln为非线性负载中性线电流；isn为系统中性线电流；usm 为系统电网电压；va、vb、vc分别为三相主电路各桥臂中点与中性线间的电压；vfa、vfb、vfc分别为APF 在三相接入点的电压；逆变器输出低通滤波器采用LCL 方式，其中L 为逆变器连接电感，Lg为并网电感，C3为输出三相滤波电容；uc1、uc2分别为电容C1和C2的电压；R1、R2分别为直流侧电容C1、C2的等效电阻；ic1、ic2分别为流经电容C1、C2的电流；三相PWM 变流器开关（S1~S6）。三相电源的中性线与直流侧母线中点相连为中性线电流提供通道。

3 直流侧电压控制与电容电流关系

为方便模型的建立，做一些必要假设：

（1）三相PWM 变流器中各开关均为理想器件，不考虑内阻等；

（2）LCL 低通滤波器中输出电感(L、Lg)、输出交流滤波电容(C3) 是三相对称的，即每相的参数都一样；

（3）直流侧电容C1、C2规格完全一样，即C1=C2；

（4）定义开关函数SSK如下：

3.1 直流侧电容的选择准则

有源电力滤波器的工作就是直流侧电容的充、放电的过程，为了保证性能，需要维持直流侧电压的恒定。理论上，系统对称的情况下，直流侧电容容量可以选择很小。但是，实际电路中，各种元器件均寄生有内阻，尤其是直流侧电容自身寄生的等效电阻，会带来很大的损耗，就需要选择更大容量的电容；同时，这部分损耗会带来很大的发热，限制了电容的通流能力。

电容量的选择可按照如下经验公式计算：

其中：I0为APF 额定工作电流；

APF 输出的电压基波的角频率；

Udc额定状态下直流侧电压；

K 是系统允许的直流电压波动系数，取值范围0.01 ～ 0.1；

Cd为直流侧电容容量之和。

3.2 直流侧电容电流计算

由KVL 定律以及KCL 定律，根据上述所定义的状态变量，可以得到直流侧电容电压以及电流的描述方程如下。

直流侧电容C1电压描述方程：

直流侧电容C2电压描述方程：

根据公式(3)、(4) 很容易得到C1、C2上面流过的电流：

由公式(7)、(8) 可得，四线制系统中0 序电流都会从直流侧电容中点流过。

4 仿真研究

4.1 仿真环境及波形

本文设计的系统参数：电感值L=0.27mH、Lg=0.03mH、C3=17μF，在额定电网相电压有效值Usn=220V，采用设计的额定直流侧电压值Udcn=800V 时，APF 额定容量50A， 使用PSIM 仿真，采用指定次消谐控制算法[18]。根据公式(2)，计算可得直流侧电容取值范围398μF ～ 3979μF。负载采用常规的不控整流带阻感性负载。负载电流波形如图2 所示。补偿后系统电流如图3 所示，电流畸变率由45.8% 下降到3.2%，补偿效果明显（电容选择4700μF，C1=C2=8400μF）。本系统设计为三相四线制，所以中性点上有很大的0 序电流流过，如图4 所示。由于直流侧电容自身寄生等效内阻，所以将产生很大的功耗。极端情况下：系统容量全部用于补偿零序电流，R1=R2=0.02Ω( 电解电容典型ESR)，则将产生大约50W 的功耗。

通过选型发现，如果直流侧电容选择薄膜电容，则损耗可以大为减少，因为薄膜电容ESR 非常小，相同容量的电容，ESR 大约为1mΩ 左右，这样直流侧损耗将降至2.5W 左右。损耗大大减少。

4.2 选用电解电容与薄膜电容的效果对比

通过表1 和表2 的参数对比发现，电解电容的ESR 比薄膜电容大非常多。在同一系统下，分别采用两种电容进行仿真。

对比发现，直流侧电压波动明显，相同容量时，补偿性能也要略逊一些。主要原因是两者之间的寄生等效电阻（ESR）相差很大（几十倍），由于工艺的问题，电解电容大的ESR，造成系统控制器效果变差。对比表3、表4 发现，薄膜电容在取电解电容1/3 容量时，两者的整体效果类似。薄膜电容属于无感设计，耐纹波能力强。从表1、表2 中可知，电解电容的通流能力大约只有同容量薄膜电容的1/5 左右，为了达到系统的设计容量，必须进行多模组并联，增加了系统的复杂性，大大降低系统的可靠性。