摘要：針對有源電力濾波器(APF)諧波控制算法存在的問題，提出了一種基于三電平電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)的諧波控制算法。該控制算法的功率開關(guān)頻率低，輸出諧波電壓含量少，抗電磁干擾能力強，實時效果好。對該控制算法進行了Matlab仿真研究，通過實驗成功地在APF中驗證了其正確性，實驗結(jié)果表明該控制算法具有諧波電壓含量少，電壓利用率高，補償性能好等優(yōu)點，同時證明了該控制算法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；三電平；空間矢量脈寬調(diào)制；諧波控制

1 引言

諧波控制算法是APF中最重要的部分之一，它直接影響著APF的補償效果。在三電平逆變器PWM控制方法中，SVPWM以其易于數(shù)字實現(xiàn)、電壓利用率高、輸出諧波成分少、脈動轉(zhuǎn)矩低等優(yōu)點而得到廣泛應用。三電平SVPWM的拓撲結(jié)構(gòu)特點使同樣耐壓水平的開關(guān)器件能夠應用于中高壓的大容量系統(tǒng)，提高了裝置的等效開關(guān)頻率；三電平逆變器輸出為三電平階梯波，更接近于正弦，減少了輸出電壓和輸出電流的諧波含量。

在深入分析兩電平拓撲結(jié)構(gòu)的基礎上，提出了三電平SVPWM在APF中的諧波控制功能。詳細介紹了諧波控制算法的原理，并對算法進行了

Matlab／Simulink仿真驗證，利用TMS320F2812完成了控制軟件的編寫。設計了基于TMS320F2812+CPLD的APF數(shù)字化控制系統(tǒng)，有效驗證了諧波控制算法的正確性，提高了APF的實時補償效果。

2 三電平SVPWM的工作原理

2．1 兩電平SVPWM的拓撲結(jié)構(gòu)

兩電平SVPWM補償信號產(chǎn)生過程如下：根據(jù)前端檢測的三相諧波進行α，β坐標變換，在α，β坐標下進行扇區(qū)判斷，求參考電壓矢量Ur對應的相鄰的基本矢量上的作用時間Tx，Ty，再確定空間矢量切換點Tcm1，Tcm2，Tcm3，這樣就通過空間矢量切換點導通相應的開關(guān)器件產(chǎn)生諧波補償信號的波形。兩電平逆變器主拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

同一時刻三相逆變器每個橋臂上下兩個開關(guān)器件的驅(qū)動信號互補，設Sk=1表示上橋臂導通，Sk=0表示下橋臂導通，可得各橋臂輸出端電壓Uk=SkUd(k=a，b，c)，則電壓空間矢量為：

空間電壓矢量扇區(qū)劃分如圖2所示。以第I扇區(qū)為例，則：

式中：T為采樣周期。

將Tx，Ty作3／2坐標變換到靜止α，β兩相坐標系下，則：

這一點在文獻中做了詳細的說明和驗證。

2．2 三電平SVPWM的基本原理

三電平逆變器是在兩個開關(guān)器件串聯(lián)的基礎上加入一對中性點箝位二極管構(gòu)成的，其電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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其中，每相橋臂的4個主開關(guān)管有3種不同的通斷組合形式，即1表示+Ud／2，0表示0，-1表示-Ud／2的3種輸出電位。27種開關(guān)組合狀態(tài)對應著19個基本空間電壓矢量，幅值2Ud／3，·Ud／3，Ud／3和0分別對應著大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。根據(jù)兩電平矢量構(gòu)成原理可得三電平的矢量圖如圖4所示。

當Uβ>0且，則Ur處于第I扇區(qū)(0<θ<π／3)。以此扇區(qū)為例，它含有大矢量U13=和U0，中矢量U7=，小矢量U1=，零矢量U0。將U1和U2的頂點連接起來，大扇區(qū)被分成A，B，C，D 4個區(qū)域。設Ur位于A區(qū)域中，U0，U1和U2分別對應作用時間為T0，T1，T2，Ur用U0，U1，U2的時間線性組合來近似等效，可得：

U0T0+U1T1+U2T2=UrTs， T0+T1+T2=Ts     (4)

式中：Ts為調(diào)制脈沖周期。

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同理可求出其他小三角中矢量作用時間，在計算其他五大扇區(qū)的矢量作用時間時，只要將上式中的θ值分別用θ-60°，θ-120°，θ-180°，θ-240°和θ-300°來代替即可。

3 控制算法仿真

3．1 兩電平SVPWM的仿真

取三相a，b，c分別為只含有標準正弦波電源，通過仿真模型來觀察空間矢量切換點Tcm1的調(diào)制波形，Tcm2，Tcm3相位依次相差120°和240°，波形與Tcm1相同。Tcm1的波形如圖5所示。由圖可知，仿真得到的調(diào)制波形與輸入波形滿足相位相反的原則。

3．2 三電平SVPWM的仿真

三電平仿真輸入也是采用標準正弦波，整個系統(tǒng)主要包括各區(qū)域判斷、小三角判斷、矢量合成時間計算、觸發(fā)脈沖的分配等環(huán)節(jié)。逆變器輸出的線電壓uab，線電流iab波形如圖6所示。

4 軟件設計

根據(jù)上述三電平SVPWM基本算法原理，在開發(fā)的基于DSP+CPLD的數(shù)字化控制系統(tǒng)中，由于DSP芯片集成度高，方便諧波的采樣和控制計算；而CPLD速度快，且I／O端口多，CPLD開發(fā)平臺采用MAX+PLUS II平臺，基于Verilog HDL硬件描述語言開發(fā)程序，兩者結(jié)合可以保證多組觸發(fā)脈沖的實時同步?？刂葡到y(tǒng)中DSP進行諧波信號的采樣和控制計算，CPLD完成端口的擴展以及接收DSP運算的時間和PWM波。軟件算法流程如圖7所示。

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5 實驗

此處開發(fā)設計了一套由DSP(TMS320F2812)+CPLD(EPM3256ATC144)作為數(shù)字化控制系統(tǒng)的APF裝置，驗證了該控制算法的可行性和實用性。該裝置中，以高速數(shù)字信號處理芯片TMS320F2812為核心主控器件，主電路直流側(cè)最大可沖電壓為1 kV，逆變橋開關(guān)器件為IGBT，由功率模塊M57962L驅(qū)動。由于電網(wǎng)中變壓器多采用角形連接，可以濾除3N(N=1，2，3……)次諧波，所以實驗諧波電流采用帶基波信號的5次諧波信號的疊加，實驗中諧波電流由自制的諧波源來產(chǎn)生，再將APF裝置并入諧波源系統(tǒng)中，組成了實驗室模擬的諧波發(fā)生并補償裝置。設置輸出諧波5次，含量20％，按下啟動開關(guān)，諧波電源開始啟動，用萬用表測量其輸出相電壓。將基于三電平SVPWM的諧波控制算法下載到DSP中，補償前和補償后的電網(wǎng)波形如圖8所示。可見，該控制算法的補償效果明顯，進一步證明了算法的正確性和可行性。

6 結(jié)論

針對有源電力濾波器常用諧波控制算法存在的問題，提出了一種基于三電平空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的諧波控制算法，這種控制算法的功率開關(guān)的頻率低，實時效果好。對控制算法進行了仿真和實驗研究，驗證了該控制算法的正確性，并表明其具有良好的實際應用價值。