基于15电平降开关数多电平逆变器的并联有源电力滤波器提升电能质量研究

为解决非线性负载导致的谐波污染和电能质量问题，研究人员开发了一种基于15电平降开关数多电平逆变器(RSMLI)的并联有源电力滤波器(SAPF)。通过单载波多参考PWM控制策略，在6kW仿真和3kW硬件原型中实现了总谐波失真(THD)降至3%以下，开关数量减少45%。该研究为高电压应用提供了兼具高效性和经济性的谐波治理方案。

　　

在现代电力系统中，随着变频器、整流装置等非线性负载的广泛应用，谐波污染已成为威胁电网安全的"隐形杀手"。这些谐波不仅会导致变压器过热、电缆绝缘老化，还会引发电容谐振等严重事故。传统解决方案如无源滤波器存在调谐困难、易引发谐振等缺陷，而常规有源滤波器又面临开关损耗大、成本高等问题。针对这一技术瓶颈，印度特里普拉大学电气工程系的研究团队创新性地将降开关数多电平逆变器(Reduced Switch Multilevel Inverter, RSMLI)技术与并联有源电力滤波器(Shunt Active Power Filter, SAPF)相结合，在《Results in Engineering》发表了突破性研究成果。

研究团队采用单载波多参考(Single-Carrier Multi-Reference, SCMR)脉宽调制技术，构建了仅需8个开关器件即可实现15电平输出的创新拓扑结构。通过MATLAB/Simulink搭建6kW仿真平台，并制作3kW硬件原型进行验证。关键技术包括：基于p-q理论的谐波检测算法、不对称直流电源配置方案、以及针对IGBT开关的TLP250光耦驱动电路。实验采用Fluke示波器(190-204型)进行波形采集，通过改变R-L负载参数(5-80Ω电阻、1-27mH电感)模拟不同工况。

研究结果显示：在开关优化方面，与传统拓扑相比，该结构将开关数量从23个降至8个，成本因子(CF)降低至1.03-1.12范围。在谐波抑制性能上，当负载电阻不平衡时(如A相65Ω、B相15Ω、C相55Ω)，系统仍能将总谐波失真(THD)控制在17.08%，而硬件实测结果为18.1%，验证了仿真模型的准确性。特别值得注意的是，采用100V/200V/400V三级直流电源时，逆变器输出呈现完美的15电平阶梯波形，实测效率高达98.2%。

通过对比实验发现，当固定电感值(如10mH)仅改变电阻值时，THD随电阻不平衡度增大而降低，从17.08%(R=65/15/55Ω)降至12.93%(R=40/5/80Ω)。反之，固定电阻值改变电感时，THD改善效果更为显著。硬件测试中，使用FGA25N120AN型IGBT(1200V/40A)构成的逆变器，在输出700V峰压时仍保持稳定运行。

该研究的创新价值主要体现在三个方面：首先，通过创新的"K型"拓扑结构，在15电平逆变器中实现了开关数量的大幅精简，较同类设计减少65%的功率器件；其次，提出的SCMR调制策略仅需1个载波和7个参考信号即可精确控制8个开关，简化了控制系统复杂度；最后，实验证实该方案在应对不平衡负载时具有独特优势，当某相负载突变时仍能维持电网电流正弦度。这些突破为高压大容量场合的谐波治理提供了新思路，特别适合钢铁厂、轨道交通等存在严重谐波污染的工业场景。未来通过集成光伏等分布式电源，可进一步拓展其在智能电网中的应用前景。