一种基于简化算法的三电平有源滤波器

叶祥栋 叶生文 张建良 王德明

（金川集团公司，甘肃 金昌 737100）

对于矿山、冶炼等高压大功率场合，由于电力电子器件的使用，使得这些场合谐波污染，无功补偿问题特别突出。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁；谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁；谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱；针对以上现象，使得谐波治理和无功补偿成为了近年来一个研究热点，传统的方法是用谐波治理和无功补偿，但只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大，只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能精确补偿；其滤波特性受系统参数影响较大，且其滤波特性有时很难与调压要求相协调等因素，使得有源电力滤波器逐渐成为这一领域的热点。

1 有源滤波器原理

三电平逆变器由日本长冈科技大学的 A.Nabae等人在 1980 年的IAS年会上首次提出，称为中点箝位式（Neutral Point Clamped, NPC）逆变器[1]。它的出现为高压大容量电压型 PWM逆变器的研制开辟了一条新思路。图1为二极管中点箝位式三电平有源滤波器的主电路拓扑。

图1 二极管中点箝位式三电平并联型APF拓扑结构

三电平逆变器高压大功率的特点，客观上决定了主电路由较多的开关器件组成，而开关器件的增加也为结构的变化提供了可能，通过人们对功率变换规律的进一步认识，将会出现更新、更好的新型拓扑结构，从而促进三电平逆变器及多电平逆变器的更大发展。

2 简化的三电平SVPWM算法

电平空间矢量 PWM 调制比两电平空间矢量PWM调制的输出电平多了一个。调制输出的电压状态均有可能取1、0、-1三种状态。引入开关函数Sa、Sb、Sc，则调制输出的三相电压的合成的电压空间矢量表达式如下式[6]

Sa、Sb、Sc分别可取 1、0、-1三种开状态。由于三电平空间矢量 PWM调制每相均可以输出三种状态，由其排列组合可输出27种状态，即可以获得27种电压空间矢量。三电平电压空间矢量图比两电平电压空间矢量图复杂得多，在以往的三电平电压空间矢量控制方法中大都是采用将一个扇区分成 4个小三角形（如图2所示），然后对各个小三角形分别求解出各个有效矢量的作用时间的方法，如此一来需要对24个小三角形分别进行求解，计算量相当大，而且判断参考电压空间矢量所在的具体小三角形号时很繁琐，还需要求出每个扇区内各个小三角形之间的切换角度以便于判断合成矢量的工作模式，从而提供在计算与三角载波相比较时比较值的依据[4]，这种计算方式繁琐而且不易于应用到三电平以上的逆变器。

图2 常规三电平空间矢量区域划分

经过分析，可以用一简单的办法将简便的两电平电压空间矢量控制方法应用于三电平。仔细观察图2可以发现，完全可以认为三电平电压空间矢量图是由6个两电平电压空间矢量构成的小六边形相互叠合着组成（如图3a 所示），而且这六个小六边形又是以三电平空间矢量 PWM调制输出的六个小矢量的顶点为中心（如图3b所示）。这样将三电平电压空间矢量平面转化为两电平电压空间矢量平面后控制程序的编写将极为简便，下面就如何进行这一转化进行阐述。

当判断参考电压空间矢量所在的位置时，只需要判定它是落在哪个小六边形里，用S来表示参考电压空间矢量位于的小六边形号。

判定了参考电压空间矢量所在的小六边形后，再经过坐标平移即可将三电平电压空间矢量平面简化为两电平电-→压空间矢量平面。三电平电压空间矢量平面是以V0为原点的，而要简化为两电平电压空间矢量平面时，是转入到参考电压空间矢量落在的小六边形，以它作为合成期望输出电压空间矢量的面、，这为6个原小点六的边，形要却正是确分地别实以现从、三电、平往、两电、平电压空间矢量平面的转化就必须将参考电压空间矢量的原点也平移至相应的小六边形的原点。所以在判定参考电压空间矢量所在的小六边形号S后，需要对参考电压空间矢量进行修正。

图3 三电平电压空间矢量图的简化

3 系统设计与实现

在对并联型APF控制策略研究的基础上，本文建立了并联型 APF实验平台，并进行了基于 DSP的三电平APF控制器设计和控制软件的编写。如图4和图 5所示，实验装置由三电平逆变器主回路、控制回路和非线性负载组成。为提高系统的抗干扰能力和可靠性，采用光信号驱动，实现主回路和控制回路的完全电气隔离。

图4 三相三线制APF系统结构

图5 三电平APF主回路、控制器

实验参数：电网电压 190V（经变压器降压），负载为三相不控整流桥，负载电阻8Ω，直流电压设为480V；开关频率先后取1.5kHz和7.5kHz进行比较。以下为三电平 APF实验波形。在图 6中，iLa为负载电流波形；为基于DSP的全数字谐波检测方法得到的指令电流；是负载电流和指令电流在示波器中的代数和，用来模拟实际的补偿效果。可以看出，本文采用的ip、iq谐波提取算法实时性好，准确性高；高速DSP芯片F2812指令电流计算延时极小，指令电流和负载电流之和基本为正弦波，说明本文全数字谐波提取算法良好的实时性和硬、软件系统良好的性能。

图7所示为APF输出的三电平线电压波形。

图8所示为开关频率为7.5kHz时的网侧a相电流波形，基本上为正弦波，补偿效果良好。

图6 负载电流、指令电流（D/A输出）以及两者之和的波形

图7 APF输出线电压波形

图8 开关频率7.5KkHz，采用简化算法的电网电压和网侧电流波形

4 结论

本文提出了一种基于简化的SVPWM三电平算法的APF进行了研究。通过F2812数字信号处理器，对此算法进行了试验研究，由以上试验波形表面由以上实验数据表明，采用此种算法的三电平APF能很好的实现谐波治理和无功补偿。

[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,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2005.10.

[3]李永东,高跃.多电平 PWM 控制技术发展[J].变频器世界,2006(3):6-13.

[4]桂红云,姚文熙,吕征宇. 基于控制因子三电平空间矢量方法的研究[J].电力电子技术,2005,39(1): 25-28.

[5]吴敏. 基于空间电压矢量法的三电平逆变器控制策略研究[D].合肥:合肥工业大学,2006.

[6]叶宗斌. 三电平控制策略的仿真研究[D]. 徐州:中国矿业大学,2005.6: 6-7.