背景及意義
隨著電力電子技術(shù)在工業(yè)制造和人們生活得到日益廣泛的應(yīng)用，使得電能質(zhì)量受到嚴(yán)重影響，其所造成的后果也越來越引起人們重視。影響電能質(zhì)量下降的最大原因便是諧波和無功問題。電網(wǎng)中諧波的來源有很多種，但主要的來源是以下幾個方面：
（1）由發(fā)電源所產(chǎn)生，主要是由于發(fā)電機(jī)目前生產(chǎn)工藝的問題使得三相繞組與鐵芯不可能做到絕對均勻一致引起的。
（2）輸配電系統(tǒng)也是產(chǎn)生的諧波因素，主要是由于變壓器鐵芯飽和、磁化曲線的非線性引起的。
（3）用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。工業(yè)生產(chǎn)中的會存在很多三相整流橋、變頻器設(shè)備、電弧爐等非線性負(fù)載，因此工業(yè)生產(chǎn)中的生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生的諧波占有很大比重。
當(dāng)前由于工業(yè)的不斷發(fā)展與人們對生活質(zhì)量的要求不斷提高，人們對電能的質(zhì)量管理設(shè)備的功能以及工作的穩(wěn)定性、適應(yīng)性、精確性等提出更高的需求，因此人們需要尋求功能多樣、適應(yīng)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高的設(shè)備來進(jìn)行諧波濾除，在這種情況下APF得到了迅速的發(fā)展，APF具有很多明顯的優(yōu)點(diǎn)，比如：具有高度的可控制性、濾波性能不再受電網(wǎng)參數(shù)的影響、自適應(yīng)和快速響應(yīng)能力比較強(qiáng)、所需存儲電容小等優(yōu)點(diǎn)。
APF經(jīng)過近幾年不斷的發(fā)展，為了滿足用戶不斷更新的需求以及適應(yīng)并應(yīng)用在不同的場合，其拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)也在持續(xù)的更新改進(jìn)。根據(jù)電源性質(zhì)、接入電網(wǎng)方式等特點(diǎn)可將APF分為如圖1所示的幾類。
目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用比較多的是兩電平APF。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)很多場合己經(jīng)投入使用兆瓦級的電力電子設(shè)備，這些設(shè)備需要在中壓配電網(wǎng)中運(yùn)行。但是由于開關(guān)器件耐壓特性的限制，兩電平APF主要應(yīng)用于低電壓等級場合，無法滿足高壓大容量場合的需求。三電平逆變技術(shù)由于其結(jié)構(gòu)特性使得其能夠滿足高電壓等級、大容量的場合，并且己經(jīng)在某些要求高電壓等級、大容量的場合投入實(shí)際應(yīng)用。相對于采用兩電平變換器結(jié)構(gòu)的APF，基于三電平變換器結(jié)構(gòu)的APF具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）由于三電平變換器的特殊結(jié)構(gòu)，在正常工作運(yùn)行時是由兩個開關(guān)器件共同承受直流側(cè)反壓，從而可以將開關(guān)速度較快但耐壓等級較低的開關(guān)管應(yīng)用于電壓等級較高、容量較大的場合。
（2）三電平逆變電路輸出電平階數(shù)比較多，具有更加正弦化的輸出電壓，使用三電平變換器開關(guān)頻率會明顯降低，并且由開關(guān)器件的通斷所引起的高次諧波也會減少。
三電平APF不僅適用于高電壓等價、大容量場合，還可以應(yīng)用在低電壓等級、小容量場合，并且補(bǔ)償?shù)男Ч葌鹘y(tǒng)APF更好。
主電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)
（1）三電平逆變器硬件結(jié)構(gòu)
目前在三電平拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較廣泛的是二極管鉗位型拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，該拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)每一相有四個開關(guān)管和兩個鉗位二極管，整個變換器三相一共十二個開關(guān)管和六個箱位二極管，每一相開關(guān)管的不同組合方式對應(yīng)不同電平的輸出。綜合分析，采用二極管鉗位型結(jié)構(gòu)的三電平APF有以下優(yōu)點(diǎn)：三電平逆變器可以將低耐壓等級、速度比較高的開關(guān)器件應(yīng)用在高電壓等級的應(yīng)用場合；輸出電壓的電平數(shù)相對于兩電平變換器增多，相鄰電平間的差值減小，具有du/dt低、電磁干擾小、開關(guān)頻率與損耗小等優(yōu)點(diǎn)。
如圖2所示的結(jié)構(gòu)圖為二極管鉗位型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以a相為例，當(dāng)開關(guān)管T11與T12開通時，A點(diǎn)與O點(diǎn)之間的電壓為電容C1上的正電壓；當(dāng)開關(guān)管T12與T13開通時，A點(diǎn)通過T12與T13以及箱位二極管與C1 、C2分壓點(diǎn)相連，A點(diǎn)與O點(diǎn)之間的電壓為0；當(dāng)T13與T14導(dǎo)通時與第一種情況類似，A點(diǎn)與O點(diǎn)的電壓為電容C2上的負(fù)電壓。每一相輸出有三種電平狀態(tài)，合成線電壓后具有五種電平狀態(tài)：+ Udc，+ Udc/2，0，-Udc/2，-Udc。
（2）三電平逆變器控制系統(tǒng)
如圖所示3為三電平APF的系統(tǒng)簡化框圖。
在圖3中，三電平APF系統(tǒng)需要對電網(wǎng)負(fù)載電流、電壓以及直流側(cè)電壓通過采樣調(diào)理電路進(jìn)行采樣，再由DSP控制芯片經(jīng)過相應(yīng)的諧波提取算法計算出負(fù)載電流中的諧波，并由DSP通過電流跟蹤控制算法產(chǎn)生響應(yīng)的觸發(fā)脈沖經(jīng)過驅(qū)動電路送給三電平APF主電路，使得主電路的輸出電流與跟蹤所計算得到的電網(wǎng)電流中的諧波分量相同，進(jìn)而與電網(wǎng)諧波相互抵消達(dá)到濾除電網(wǎng)電流諧波電流與補(bǔ)償無功的目的。
（3）三電平逆變器PWM調(diào)制方式
三電平逆變器的調(diào)制方式通常采用SPWM調(diào)制法，其調(diào)制原理如圖4所示。取對稱分布在橫軸上下兩側(cè)的兩層上下層疊的三角載波這兩組三角載波頻率和幅值都相同，將調(diào)制信號與三角載波相比較得到三電平APF主電路開關(guān)管的觸發(fā)信號，來控制三電平APF主電路的輸出電流。該方法所具有的特點(diǎn)：算法原理簡單，運(yùn)算速度快響應(yīng)延時小，易于軟件實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
三電平APF系統(tǒng)控制策略研究
（1）諧波檢測控制方法
電網(wǎng)電流諧波檢測的精度是APF實(shí)現(xiàn)良好補(bǔ)償?shù)那疤?，只有在精確地檢測出電網(wǎng)電流中的諧波前提下，才能進(jìn)一步研究如何精確控制電流跟蹤實(shí)現(xiàn)理想的補(bǔ)償效果，如果連諧波檢測都無法做到精確就更不要考慮APF的補(bǔ)償效果是否達(dá)標(biāo)。采用ip_ iq檢測算法，可以有效地檢測出電網(wǎng)電流的諧波分量，具有計算簡單、運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，其基礎(chǔ)是瞬時無功功率理論。
圖5給出了ip_ iq諧波檢測方法的原理圖，另外圖中：
在該檢測方法中sinwt，cos wt分別為a相電網(wǎng)電壓相位角的正弦值與余弦值。在圖5中，ip、iq分別為瞬時的有功與無功電流。三電平APF控制系統(tǒng)將檢測所得到的三相電網(wǎng)負(fù)載電流進(jìn)行坐標(biāo)變換可以得到ip和iq，且ip、 iq中既含有直流分量又含有交流分量，直流分量為負(fù)載電流的基波分量，交流分量為負(fù)載電流的諧波分量，濾除其中的交流分量得到直流分量
ip、iq，然后進(jìn)行坐標(biāo)反變換，得到基波分量iaf ，ibf ，icf 。再將基波分量與負(fù)載電流相減即可得到負(fù)載電流的諧波分量iah、ibh、ich。若需要同時對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，則需斷開圖5中計算iq的通道，此時所計算得到的指令電流就含有無功分量，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。
（2）直流側(cè)電壓控制方法。
三電平APF系統(tǒng)在工作過程中，由于存在開關(guān)損耗、線路電阻損耗等原因，會使得直流側(cè)電壓降低。而直流側(cè)電容電壓過低或者波動太大會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作效率及其濾波效果，因此保證直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定性非常重要。為了穩(wěn)定直流側(cè)電容電壓，電壓過低時需要采取相應(yīng)的控制從電網(wǎng)吸收有功功率，反之需要給電網(wǎng)輸送有功功率，使二者達(dá)到動態(tài)的有功平衡，就可以達(dá)到控制目的。
直流側(cè)電容電壓控制原理圖如圖6所示，其中udc為直流側(cè)電壓的實(shí)際值，udc為直流側(cè)電壓的給定值。將udc與udc*的差值經(jīng)過PI環(huán)節(jié)的整定，所得偏差信號加到ip_ iq諧波檢測模塊有功軸的經(jīng)過低通濾波后所得直流分量中，這就使得指令電流中含有基波分量的有功分量，三電平APF根據(jù)直流側(cè)電壓不同情況從電網(wǎng)吸收或輸出有功，使得直流側(cè)電壓圍繞給定值上下小幅度的波動。
三電平APF系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計
（1）硬件系統(tǒng)設(shè)計
如圖7所示為三電平APF系統(tǒng)的硬件框圖，主要包括三電平變換器主電路、采樣調(diào)理電路、脈沖驅(qū)動電路、主控板電路，其中采樣調(diào)理電路包括電壓電流采集與電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)檢測電路。采樣調(diào)理電路采集到電網(wǎng)負(fù)載電流電壓與直流側(cè)電壓后，主控板進(jìn)行相應(yīng)算法的運(yùn)算，產(chǎn)生PWM觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖再經(jīng)過驅(qū)動電路放大后輸送給APF主電路，來控制電流的輸出與直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。
（2）軟件設(shè)計框架
如圖8為系統(tǒng)的主程序流程圖，主程序的主要功能主要包括:系統(tǒng)開始運(yùn)行后，首先需要進(jìn)行系統(tǒng)初始化和外設(shè)初始化，主要包括A/D、定時器、SVPWM、CAP、 I/O口等的初始化；開啟中斷服務(wù)程序，等待中斷；在系統(tǒng)運(yùn)行過程中執(zhí)行故障檢測，如果發(fā)現(xiàn)故障，進(jìn)行報警和故障處理；接收到啟動命令后進(jìn)行直流側(cè)電容預(yù)充電，直到直流側(cè)電壓達(dá)到給定值；在運(yùn)行過程中不斷循環(huán)邏輯判斷程序使得系統(tǒng)在不同的狀態(tài)進(jìn)行切換。
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