一種基于簡化算法的三電平有源濾波器

葉祥棟 葉生文 張建良 王德明

（金川集團公司，甘肅 金昌 737100）

對于礦山、冶煉等高壓大功率場合，由于電力電子器件的使用，使得這些場合諧波污染，無功補償問題特別突出。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀；諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀；諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂；針對以上現(xiàn)象，使得諧波治理和無功補償成為了近年來一個研究熱點，傳統(tǒng)的方法是用諧波治理和無功補償，但只能抑制固定的幾次諧波，并對某次諧波在一定條件下會產(chǎn)生諧振而使諧波放大，只能補償固定的無功功率，對變化的無功負載不能精確補償；其濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，且其濾波特性有時很難與調(diào)壓要求相協(xié)調(diào)等因素，使得有源電力濾波器逐漸成為這一領域的熱點。

1 有源濾波器原理

三電平逆變器由日本長岡科技大學的 A.Nabae等人在 1980 年的IAS年會上首次提出，稱為中點箝位式（Neutral Point Clamped, NPC）逆變器[1]。它的出現(xiàn)為高壓大容量電壓型 PWM逆變器的研制開辟了一條新思路。圖1為二極管中點箝位式三電平有源濾波器的主電路拓撲。

圖1 二極管中點箝位式三電平并聯(lián)型APF拓撲結(jié)構(gòu)

三電平逆變器高壓大功率的特點，客觀上決定了主電路由較多的開關器件組成，而開關器件的增加也為結(jié)構(gòu)的變化提供了可能，通過人們對功率變換規(guī)律的進一步認識，將會出現(xiàn)更新、更好的新型拓撲結(jié)構(gòu)，從而促進三電平逆變器及多電平逆變器的更大發(fā)展。

2 簡化的三電平SVPWM算法

電平空間矢量 PWM 調(diào)制比兩電平空間矢量PWM調(diào)制的輸出電平多了一個。調(diào)制輸出的電壓狀態(tài)均有可能取1、0、-1三種狀態(tài)。引入開關函數(shù)Sa、Sb、Sc，則調(diào)制輸出的三相電壓的合成的電壓空間矢量表達式如下式[6]

Sa、Sb、Sc分別可取 1、0、-1三種開狀態(tài)。由于三電平空間矢量 PWM調(diào)制每相均可以輸出三種狀態(tài)，由其排列組合可輸出27種狀態(tài)，即可以獲得27種電壓空間矢量。三電平電壓空間矢量圖比兩電平電壓空間矢量圖復雜得多，在以往的三電平電壓空間矢量控制方法中大都是采用將一個扇區(qū)分成 4個小三角形（如圖2所示），然后對各個小三角形分別求解出各個有效矢量的作用時間的方法，如此一來需要對24個小三角形分別進行求解，計算量相當大，而且判斷參考電壓空間矢量所在的具體小三角形號時很繁瑣，還需要求出每個扇區(qū)內(nèi)各個小三角形之間的切換角度以便于判斷合成矢量的工作模式，從而提供在計算與三角載波相比較時比較值的依據(jù)[4]，這種計算方式繁瑣而且不易于應用到三電平以上的逆變器。

圖2 常規(guī)三電平空間矢量區(qū)域劃分

經(jīng)過分析，可以用一簡單的辦法將簡便的兩電平電壓空間矢量控制方法應用于三電平。仔細觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，完全可以認為三電平電壓空間矢量圖是由6個兩電平電壓空間矢量構(gòu)成的小六邊形相互疊合著組成（如圖3a 所示），而且這六個小六邊形又是以三電平空間矢量 PWM調(diào)制輸出的六個小矢量的頂點為中心（如圖3b所示）。這樣將三電平電壓空間矢量平面轉(zhuǎn)化為兩電平電壓空間矢量平面后控制程序的編寫將極為簡便，下面就如何進行這一轉(zhuǎn)化進行闡述。

當判斷參考電壓空間矢量所在的位置時，只需要判定它是落在哪個小六邊形里，用S來表示參考電壓空間矢量位于的小六邊形號。

判定了參考電壓空間矢量所在的小六邊形后，再經(jīng)過坐標平移即可將三電平電壓空間矢量平面簡化為兩電平電-→壓空間矢量平面。三電平電壓空間矢量平面是以V0為原點的，而要簡化為兩電平電壓空間矢量平面時，是轉(zhuǎn)入到參考電壓空間矢量落在的小六邊形，以它作為合成期望輸出電壓空間矢量的面、，這為6個原小點六的邊，形要卻正是確分地別實以現(xiàn)從、三電、平往、兩電、平電壓空間矢量平面的轉(zhuǎn)化就必須將參考電壓空間矢量的原點也平移至相應的小六邊形的原點。所以在判定參考電壓空間矢量所在的小六邊形號S后，需要對參考電壓空間矢量進行修正。

圖3 三電平電壓空間矢量圖的簡化

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

在對并聯(lián)型APF控制策略研究的基礎上，本文建立了并聯(lián)型 APF實驗平臺，并進行了基于 DSP的三電平APF控制器設計和控制軟件的編寫。如圖4和圖 5所示，實驗裝置由三電平逆變器主回路、控制回路和非線性負載組成。為提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性，采用光信號驅(qū)動，實現(xiàn)主回路和控制回路的完全電氣隔離。

圖4 三相三線制APF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5 三電平APF主回路、控制器

實驗參數(shù)：電網(wǎng)電壓 190V（經(jīng)變壓器降壓），負載為三相不控整流橋，負載電阻8?，直流電壓設為480V；開關頻率先后取1.5kHz和7.5kHz進行比較。以下為三電平 APF實驗波形。在圖 6中，iLa為負載電流波形；為基于DSP的全數(shù)字諧波檢測方法得到的指令電流；是負載電流和指令電流在示波器中的代數(shù)和，用來模擬實際的補償效果。可以看出，本文采用的ip、iq諧波提取算法實時性好，準確性高；高速DSP芯片F(xiàn)2812指令電流計算延時極小，指令電流和負載電流之和基本為正弦波，說明本文全數(shù)字諧波提取算法良好的實時性和硬、軟件系統(tǒng)良好的性能。

圖7所示為APF輸出的三電平線電壓波形。

圖8所示為開關頻率為7.5kHz時的網(wǎng)側(cè)a相電流波形，基本上為正弦波，補償效果良好。

圖6 負載電流、指令電流（D/A輸出）以及兩者之和的波形

圖7 APF輸出線電壓波形

圖8 開關頻率7.5KkHz，采用簡化算法的電網(wǎng)電壓和網(wǎng)側(cè)電流波形

4 結(jié)論

本文提出了一種基于簡化的SVPWM三電平算法的APF進行了研究。通過F2812數(shù)字信號處理器，對此算法進行了試驗研究，由以上試驗波形表面由以上實驗數(shù)據(jù)表明，采用此種算法的三電平APF能很好的實現(xiàn)諧波治理和無功補償。

[1]Akira Nabae,Isao Takahashi, Hirofumi Akagi. A New Neutral- Point- Clamped PWM Inverter[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,1981,17(5):518-523.

[2]王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.10.

[3]李永東,高躍.多電平 PWM 控制技術(shù)發(fā)展[J].變頻器世界,2006(3):6-13.

[4]桂紅云,姚文熙,呂征宇. 基于控制因子三電平空間矢量方法的研究[J].電力電子技術(shù),2005,39(1): 25-28.

[5]吳敏. 基于空間電壓矢量法的三電平逆變器控制策略研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2006.

[6]葉宗斌. 三電平控制策略的仿真研究[D]. 徐州:中國礦業(yè)大學,2005.6: 6-7.