基于三電平SVPWM的諧波控制算法的研究

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(qiáng)，實(shí)時(shí)效果好。對該控制算法進(jìn)行了Matlab仿真研究，通過實(shí)驗(yàn)成功地在APF中驗(yàn)證了其正確性，實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)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(bǔ)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(shí)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(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。三電平SVPWM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)使同樣耐壓水平的開關(guān)器件能夠應(yīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了三電平SVPWM在APF中的諧波控制功能。詳細(xì)介紹了諧波控制算法的原理，并對算法進(jìn)行了

Matlab／Simulink仿真驗(yàn)證，利用TMS320F2812完成了控制軟件的編寫。設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812+CPLD的APF數(shù)字化控制系統(tǒng)，有效驗(yàn)證了諧波控制算法的正確性，提高了APF的實(shí)時(shí)補(bǔ)償效果。

2 三電平SVPWM的工作原理

2．1 兩電平SVPWM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

兩電平SVPWM補(bǔ)償信號產(chǎn)生過程如下：根據(jù)前端檢測的三相諧波進(jìn)行α，β坐標(biāo)變換，在α，β坐標(biāo)下進(jìn)行扇區(qū)判斷，求參考電壓矢量Ur對應(yīng)的相鄰的基本矢量上的作用時(shí)間Tx，Ty，再確定空間矢量切換點(diǎn)Tcm1，Tcm2，Tcm3，這樣就通過空間矢量切換點(diǎn)導(dǎo)通相應(yīng)的開關(guān)器件產(chǎn)生諧波補(bǔ)償信號的波形。兩電平逆變器主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

同一時(shí)刻三相逆變器每個(gè)橋臂上下兩個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動信號互補(bǔ)，設(shè)Sk=1表示上橋臂導(dǎo)通，Sk=0表示下橋臂導(dǎo)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(biāo)變換到靜止α，β兩相坐標(biāo)系下，則：

這一點(diǎn)在文獻(xiàn)中做了詳細(xì)的說明和驗(yàn)證。

2．2 三電平SVPWM的基本原理

三電平逆變器是在兩個(gè)開關(guān)器件串聯(lián)的基礎(chǔ)上加入一對中性點(diǎn)箝位二極管構(gòu)成的，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

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其中，每相橋臂的4個(gè)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(yīng)著19個(gè)基本空間電壓矢量，幅值2Ud／3，·Ud／3，Ud／3和0分別對應(yīng)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(dāng)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(diǎn)連接起來，大扇區(qū)被分成A，B，C，D 4個(gè)區(qū)域。設(shè)Ur位于A區(qū)域中，U0，U1和U2分別對應(yīng)作用時(shí)間為T0，T1，T2，Ur用U0，U1，U2的時(shí)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(shí)間，在計(jì)算其他五大扇區(qū)的矢量作用時(shí)間時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)正弦波電源，通過仿真模型來觀察空間矢量切換點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)正弦波，整個(gè)系統(tǒng)主要包括各區(qū)域判斷、小三角判斷、矢量合成時(shí)間計(jì)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(shè)計(jì)

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(jì)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(shí)時(shí)同步?？刂葡到y(tǒng)中DSP進(jìn)行諧波信號的采樣和控制計(jì)算，CPLD完成端口的擴(kuò)展以及接收DSP運(yùn)算的時(shí)間和PWM波。軟件算法流程如圖7所示。

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5 實(shí)驗(yàn)

此處開發(fā)設(shè)計(jì)了一套由DSP(TMS320F2812)+CPLD(EPM3256ATC144)作為數(shù)字化控制系統(tǒng)的APF裝置，驗(yàn)證了該控制算法的可行性和實(shí)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(shí)驗(yàn)諧波電流采用帶基波信號的5次諧波信號的疊加，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室模擬的諧波發(fā)生并補(bǔ)償裝置。設(shè)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(bǔ)償前和補(bǔ)償后的電網(wǎng)波形如圖8所示?？梢?，該控制算法的補(bǔ)償效果明顯，進(jìn)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(shí)時(shí)效果好。對控制算法進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該控制算法的正確性，并表明其具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。