袁瑞雪,陳保平,燕 延,王艷姣，張守梁

(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的非線性負(fù)載在工業(yè)以及日常生活中得到了大量的應(yīng)用。隨之產(chǎn)生的大量諧波對(duì)電網(wǎng)也產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，電網(wǎng)中的設(shè)備難以正常運(yùn)行。應(yīng)用于諧波補(bǔ)償?shù)挠性礊V波器的研究得到了很多學(xué)者的關(guān)注[1-6]。與此同時(shí)，多電平技術(shù)也在不斷發(fā)展，相比于傳統(tǒng)的兩電平有源濾波器，三電平有源濾波器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到廣泛的關(guān)注和研究[7-10]，二極管箱位式三電平逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最受學(xué)者們的青睞，三電平有源濾波器的控制策略較多，主要分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是基于三角波的正弦脈寬調(diào)制方法，這種方法的優(yōu)點(diǎn)就是算法比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是直流電壓利用率比較低和輸出端電壓的波形質(zhì)量不高。還有一種是空間矢量的脈寬調(diào)制方式，空間矢量脈寬的調(diào)制方法的優(yōu)點(diǎn)是直接對(duì)輸出電壓矢量控制，控制精度高。該設(shè)計(jì)采用空間矢量的脈寬調(diào)制方式，針對(duì)該方法的算法進(jìn)行研究改進(jìn)。

1 有源電力濾波器的基本工作原理

電力濾波分為有源和無(wú)源兩種，這兩種的工作原理完全不同。APF是由諧波電流檢測(cè)電路和諧波電流補(bǔ)償電路兩部分組成。有源電力濾波器的基本工作原理是：通過(guò)諧波檢測(cè)電路檢測(cè)出電網(wǎng)中的包含諧波的負(fù)載電流，從中提取出諧波電流，然后經(jīng)過(guò)指令運(yùn)算電路得到補(bǔ)償電流的指令控制信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)補(bǔ)償電流跟蹤控制電路，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)逆變器 IGBT 的控制信號(hào)，得到和原來(lái)電網(wǎng)中諧波大小相等，方向相反的補(bǔ)償電流，將補(bǔ)償電流返回電網(wǎng)，抵消原來(lái)的諧波，使電網(wǎng)輸出理想的正弦波。圖1為并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成，其中iL為負(fù)載電流，is為諧波補(bǔ)償指令電流，ic為進(jìn)入電網(wǎng)的補(bǔ)償電流。

2 諧波檢測(cè)算法

基于模擬陷波器或帶通濾波器的檢測(cè)算法、基于Fryze的時(shí)域分析法、基于頻域分析的快速傅里葉變換方法、 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法、自適應(yīng)檢測(cè)法等。采用基于瞬時(shí)無(wú)功理論的d-q檢測(cè)方法，將采集到的三相電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，由三相靜止坐標(biāo)軸 a-b-c 變換到α-β-0 兩相靜止坐標(biāo)軸中。然后通過(guò)低通濾波器濾除諧波分量，得到在靜止坐標(biāo)軸 a-b-c 中基波正序分量對(duì)應(yīng)的直流分量，再將其進(jìn)行坐標(biāo)變換，即Clarke 反變換，之后用原三相電網(wǎng)電流減去反變換得到的結(jié)果，這樣就得到了諧波電流。算法原理圖如圖2所示。

3 三電平有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前實(shí)際應(yīng)用的中高壓大容量三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有三種類(lèi)型：二極管中點(diǎn)鉗位型；飛跨電容型；直流電源隔離的單元逆變橋串聯(lián)式。三電平有源電力濾波器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用的是二極管中點(diǎn)鉗位型，如圖3所示。

理想的三電平逆變電路可以簡(jiǎn)化為一個(gè)與直流側(cè)相通的單刀三擲開(kāi)關(guān)，每一相橋臂上有4個(gè)IGBT，它們同時(shí)工作時(shí)，要求兩兩導(dǎo)通，二極管中點(diǎn)N為零電位參考點(diǎn)。以A相為例，Ta1和Ta2導(dǎo)通，Ta3和Ta4關(guān)斷時(shí)，輸出0.5Udc；當(dāng)Ta2和Ta3導(dǎo)通，Ta1和Ta4關(guān)斷時(shí)，輸出為0；當(dāng)Ta3和Ta4導(dǎo)通，Ta1和Ta2關(guān)斷時(shí)，輸出為-0.5Udc。分別表示為1、0、-1三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。因?yàn)槊總€(gè)橋臂上可以輸出三種電平，故而稱(chēng)之為三電平。經(jīng)分析可知，Ta1和Ta3導(dǎo)通狀態(tài)相反，Ta2和Ta4導(dǎo)通狀態(tài)相反，且Ta1和Ta4不能同時(shí)導(dǎo)通。還需注意的是，三電平逆變器在運(yùn)行過(guò)程中，各功率開(kāi)關(guān)器件處于不斷切換的過(guò)程，但應(yīng)避免的是1狀態(tài)和-1狀態(tài)之間直接進(jìn)行切換，造成直通短路。三相的輸出電壓可以由公式(1)表示。

UAN=0.5SaUdc
UBN=0.5SbUdc
UCN=0.5ScUdc

(1)

式中，S代表開(kāi)關(guān)狀態(tài)，Udc為直流側(cè)電壓(現(xiàn)在假設(shè)直流側(cè)中點(diǎn)電壓無(wú)偏移)。通過(guò)公式(1)可以直觀的看出三電平逆變電路的輸出狀態(tài)。易知，三個(gè)橋臂一共有33=27種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。根據(jù)基爾霍夫定律以及有源濾波器輸出電流電壓的關(guān)系，可以得到電壓空間矢量由公式(2)表示。

(2)

在αβ空間平面上，27種開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)27個(gè)空間矢量。由于由于同一電壓矢量可以對(duì)應(yīng)不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以實(shí)際上27種開(kāi)關(guān)僅對(duì)應(yīng)著19個(gè)空間矢量。如圖4所示。這些矢量被稱(chēng)為三電平逆變電路的基本空間矢量，簡(jiǎn)稱(chēng)基本矢量。

4 三電平有源電力濾波器的調(diào)制策略

選用的調(diào)制策略是空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector pulse width Modulation)技術(shù)。

4.1 基本空間矢量的選擇

19個(gè)基本空間矢量在αβ平面內(nèi)組成了一個(gè)正六邊形，任何一個(gè)參考電壓均可以由19個(gè)基本空間矢量合成。SVPWM控制方法就是利用電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)PWM的控制。傳統(tǒng)的三電平 SVPWM 控制方法是以?xún)呻娖?SVPWM控制算法為基礎(chǔ)。在選擇基本空間矢量時(shí)，先進(jìn)行大扇區(qū)判斷，即將基本空間矢量根據(jù)矢量的幅值和相角分為6個(gè)大的扇形區(qū)，然后再把每一個(gè)扇區(qū)分成 4 個(gè)小三角形，進(jìn)行小區(qū)域的選擇，之后分別求出參考電壓在每個(gè)小三角形中各個(gè)有效矢量作用的時(shí)間及順序，確定每個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。利用九條直線將24個(gè)小三角形區(qū)分出來(lái)。圖5為參考電壓矢量區(qū)域分布圖，圖中含有3種不同顏色的直線，共9條。每種顏色的直線斜率一樣，每條直線均可以用具體的表達(dá)式表示出來(lái)。

三條紅線與橫軸平行，從上到下依次為：

將其標(biāo)為直線1、直線2、直線3。

將其標(biāo)為直線4、直線5、直線6。

將其標(biāo)為直線7、直線8、直線9。

現(xiàn)按照直線對(duì)所有的基本矢量劃分區(qū)域。直線1上方的區(qū)域稱(chēng)之為1區(qū)，直線1與直線2之間的區(qū)域稱(chēng)之為2區(qū)，直線2與直線3之間的區(qū)域稱(chēng)之為3區(qū)，直線3下方的區(qū)域稱(chēng)之為4區(qū)。同理，直線4左側(cè)的區(qū)域稱(chēng)之為40區(qū)，直線4與直線5之間的區(qū)域稱(chēng)之為30區(qū)，直線5與直線6之間的區(qū)域稱(chēng)之為20區(qū)，直線6右側(cè)的區(qū)域稱(chēng)之為10區(qū)。直線1左側(cè)的區(qū)域稱(chēng)之為100區(qū)，直線7與直線8之間的區(qū)域稱(chēng)之為200區(qū)，直線8與直線9之間的區(qū)域稱(chēng)之為300區(qū)，直線9右側(cè)的區(qū)域稱(chēng)之為400區(qū)。圖6是對(duì)24個(gè)小三角形進(jìn)行標(biāo)號(hào)。

假設(shè)參考電壓處于標(biāo)號(hào)為1的小三角形內(nèi)，那么它處于上述的2區(qū)、20區(qū)、300區(qū)的交集處。故可以根據(jù)直線判斷出參考電壓所在的空間位置，選定合成參考電壓的基本空間矢量。三電平NPC逆變器的SVPWM算法也基于伏秒平衡原理，即：參考電壓矢量與采樣周期的乘積，等于所選定空間矢量與其作用時(shí)間乘積的累加和。每個(gè)基本矢量的作用時(shí)間可以通過(guò)計(jì)算獲得。

在對(duì)小三角形進(jìn)行標(biāo)號(hào)時(shí)，1、7、13、19區(qū)可以組成傳統(tǒng)判別方法中的第一扇區(qū)，每個(gè)基本矢量的作用時(shí)間容易確定，2到6區(qū)的作用時(shí)間可以類(lèi)比于1區(qū)，以此類(lèi)推，其余區(qū)域的作用時(shí)間也可根據(jù)第一扇區(qū)每個(gè)小三角形中的作用時(shí)間確定。

4.2 開(kāi)關(guān)順序

在三電平逆變器的19個(gè)基本矢量中，不同幅值的矢量對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電壓造成不同的影響。長(zhǎng)矢量和零矢量對(duì)中點(diǎn)電壓無(wú)影響。中矢量和短矢量的開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)至少有一相輸出和零母線相連，并和正負(fù)母線形成電流回路，從而導(dǎo)致兩個(gè)電容的充放電，使中點(diǎn)電壓發(fā)生波動(dòng)。

利用三電平逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)的合理選擇，來(lái)實(shí)現(xiàn)電容中點(diǎn)電壓的動(dòng)態(tài)平衡控制。是為了盡量減小器件的開(kāi)關(guān)頻率，需要滿足下列兩個(gè)條件:

1)從一種開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換到另一種開(kāi)關(guān)狀態(tài)的過(guò)程中，僅涉及逆變器某一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件：一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)關(guān)斷;

2)參考電壓矢量在矢量圖中從一個(gè)區(qū)域中轉(zhuǎn)移到另一個(gè)區(qū)域時(shí)，沒(méi)有或者只有最少數(shù)量的開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作。

5 實(shí)驗(yàn)分析

5.1 實(shí)驗(yàn)條件選擇

三電平有源電力濾波器在MATLAB的simulink模塊中進(jìn)行總體仿真分析，三電平有源電力濾波器補(bǔ)償容量為100 kVA，經(jīng)過(guò)對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析計(jì)算，以及在仿真過(guò)程中的調(diào)試，最終逆變電路各個(gè)參數(shù)選擇如下：

1)電網(wǎng)相電壓220 V，頻率50 Hz；2)逆變器開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz；3)直流側(cè)電壓800 V；

4)直流側(cè)儲(chǔ)能電容選擇3 600 μF，耐壓值為450 V；5)APF的交流側(cè)輸出電感的取值為1 mH。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在simulink中搭建模型，對(duì)其仿真，補(bǔ)償前的電網(wǎng)側(cè)電流其中一相波形如圖7所示，左側(cè)圖為檢測(cè)到的負(fù)載電流，右圖是對(duì)其進(jìn)行傅里葉(FFT)分析，從圖中可以知道補(bǔ)償前電網(wǎng)側(cè)電流的總諧波畸變率(THD)為21.77%。

在投入APF之后，補(bǔ)償后的電網(wǎng)側(cè)電流其中一相波形如圖8所示，通過(guò)對(duì)補(bǔ)償前后波形圖的分析比較，電網(wǎng)側(cè)電流的諧波畸變率明顯降低，電流接近于正弦波?？梢?jiàn)，該有源濾波器補(bǔ)償效果較好，說(shuō)明該有源濾波器對(duì)諧波治理是有效且可行的。

6 結(jié)論

三電平有源電力濾波器對(duì)電網(wǎng)的諧波有有效的補(bǔ)償，可以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。電流控制算法，采用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)，利用九條直線判斷參考電壓矢量的在坐標(biāo)圖中的位置。這種方法原理清楚簡(jiǎn)單，無(wú)需對(duì)參考矢量的相位進(jìn)行判斷，僅靠幅值就可以進(jìn)行精確的判斷，但是計(jì)算量相對(duì)于傳統(tǒng)的扇區(qū)判斷并沒(méi)有減少。

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