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制(SVPWM)技術的諧波控制算法。該控制算法的功率開關頻率低，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。
關鍵詞：有源電力濾波器；三電平；空間矢量脈寬調制；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、脈動轉矩低等優(yōu)點而得到廣泛應用。三電平SVPWM的拓撲結構特點使同樣耐壓水平的開關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構的基礎上，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的拓撲結構
兩電平SVPWM補償信號產生過程如下：根據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器件產生諧波補償信號的波形。兩電平逆變器主拓撲結構圖如圖1所示。
同一時刻三相逆變器每個橋臂上下兩個開關器件的驅動信號互補，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器件串聯(lián)的基礎上加入一對中性點箝位二極管構成的，其電路拓撲結構如圖3所示。
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其中，每相橋臂的4個主開關管有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。根據兩電平矢量構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，主電路直流側最大可沖電壓為1 kV，逆變橋開關器件為IGBT，由功率模塊M57962L驅動。由于電網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，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制技術的諧波控制算法，這種控制算法的功率開關的頻率低，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。
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