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(tuán)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(bǔ)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(shè)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(shè)備燒毀；諧波還會引起繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂；針對以上現(xiàn)象，使得諧波治理和無功補(bǔ)償成為了近年來一個研究熱點(diǎn)，傳統(tǒng)的方法是用諧波治理和無功補(bǔ)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(bǔ)償固定的無功功率，對變化的無功負(fù)載不能精確補(bǔ)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(lǐng)域的熱點(diǎn)。

1 有源濾波器原理

三電平逆變器由日本長岡科技大學(xué)的 A.Nabae等人在 1980 年的IAS年會上首次提出，稱為中點(diǎn)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(diǎn)箝位式三電平有源濾波器的主電路拓?fù)洹?/p>

圖1 二極管中點(diǎn)箝位式三電平并聯(lián)型APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三電平逆變器高壓大功率的特點(diǎn)，客觀上決定了主電路由較多的開關(guān)器件組成，而開關(guān)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(jìn)一步認(rèn)識，將會出現(xiàn)更新、更好的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)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(guān)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(dá)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(fù)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(jìn)行求解，計(jì)算量相當(dāng)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(jì)算與三角載波相比較時比較值的依據(jù)[4]，這種計(jì)算方式繁瑣而且不易于應(yīng)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(yīng)用于三電平。仔細(xì)觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，完全可以認(rèn)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(diǎn)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(jìn)行這一轉(zhuǎn)化進(jìn)行闡述。

當(dāng)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(biāo)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(diǎn)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(diǎn)六的邊，形要卻正是確分地別實(shí)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(diǎn)也平移至相應(yīng)的小六邊形的原點(diǎn)。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(jìn)行修正。

圖3 三電平電壓空間矢量圖的簡化

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在對并聯(lián)型APF控制策略研究的基礎(chǔ)上，本文建立了并聯(lián)型 APF實(shí)驗(yàn)平臺，并進(jìn)行了基于 DSP的三電平APF控制器設(shè)計(jì)和控制軟件的編寫。如圖4和圖 5所示，實(shí)驗(yàn)裝置由三電平逆變器主回路、控制回路和非線性負(fù)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(shí)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(shí)驗(yàn)參數(shù)：電網(wǎng)電壓 190V（經(jīng)變壓器降壓），負(fù)載為三相不控整流橋，負(fù)載電阻8?，直流電壓設(shè)為480V；開關(guān)頻率先后取1.5kHz和7.5kHz進(jìn)行比較。以下為三電平 APF實(shí)驗(yàn)波形。在圖 6中，iLa為負(fù)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(fù)載電流和指令電流在示波器中的代數(shù)和，用來模擬實(shí)際的補(bǔ)償效果?？梢钥闯?，本文采用的ip、iq諧波提取算法實(shí)時性好，準(zhǔn)確性高；高速DSP芯片F(xiàn)2812指令電流計(jì)算延時極小，指令電流和負(fù)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(shí)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(guān)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(bǔ)償效果良好。

圖6 負(fù)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(guān)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(jìn)行了研究。通過F2812數(shù)字信號處理器，對此算法進(jìn)行了試驗(yàn)研究，由以上試驗(yàn)波形表面由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用此種算法的三電平APF能很好的實(shí)現(xiàn)諧波治理和無功補(bǔ)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(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京:機(jī)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(xué),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(xué),2005.6: 6-7.