背景及意義
隨著電力電子技術在工業(yè)制造和人們生活得到日益廣泛的應用，使得電能質(zhì)量受到嚴重影響，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、變頻器設備、電弧爐等非線性負載，因此工業(yè)生產(chǎn)中的生產(chǎn)設備產(chǎn)生的諧波占有很大比重。
當前由于工業(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)量管理設備的功能以及工作的穩(wěn)定性、適應性、精確性等提出更高的需求，因此人們需要尋求功能多樣、適應性好、穩(wěn)定性強、精度高的設備來進行諧波濾除，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，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、自適應和快速響應能力比較強、所需存儲電容小等優(yōu)點。
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并應用在不同的場合，其拓補結(jié)構(gòu)也在持續(xù)的更新改進。根據(jù)電源性質(zhì)、接入電網(wǎng)方式等特點可將APF分為如圖1所示的幾類。
目前在工業(yè)生產(chǎn)中應用比較多的是兩電平APF。隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(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備，這些設備需要在中壓配電網(wǎng)中運行。但是由于開關器件耐壓特性的限制，兩電平APF主要應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際應用。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：
（1）由于三電平變換器的特殊結(jié)構(gòu)，在正常工作運行時是由兩個開關器件共同承受直流側(cè)反壓，從而可以將開關速度較快但耐壓等級較低的開關管應用于電壓等級較高、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頻率會明顯降低，并且由開關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，還可以應用在低電壓等級、小容量場合，并且補償?shù)男Ч葌鹘y(tǒng)APF更好。
主電路拓補結(jié)構(gòu)
（1）三電平逆變器硬件結(jié)構(gòu)
目前在三電平拓補結(jié)構(gòu)中應用比較廣泛的是二極管鉗位型拓補結(jié)構(gòu)，該拓補結(jié)構(gòu)每一相有四個開關管和兩個鉗位二極管，整個變換器三相一共十二個開關管和六個箱位二極管，每一相開關管的不同組合方式對應不同電平的輸出。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：三電平逆變器可以將低耐壓等級、速度比較高的開關器件應用在高電壓等級的應用場合；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、開關頻率與損耗小等優(yōu)點。
如圖2所示的結(jié)構(gòu)圖為二極管鉗位型變換器拓撲結(jié)構(gòu)。以a相為例，當開關管T11與T12開通時，A點與O點之間的電壓為電容C1上的正電壓；當開關管T12與T13開通時，A點通過T12與T13以及箱位二極管與C1 、C2分壓點相連，A點與O點之間的電壓為0；當T13與T14導通時與第一種情況類似，A點與O點的電壓為電容C2上的負電壓。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)負載電流、電壓以及直流側(cè)電壓通過采樣調(diào)理電路進行采樣，再由DSP控制芯片經(jīng)過相應的諧波提取算法計算出負載電流中的諧波，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，進而與電網(wǎng)諧波相互抵消達到濾除電網(wǎng)電流諧波電流與補償無功的目的。
（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：算法原理簡單，運算速度快響應延時小，易于軟件實現(xiàn)等優(yōu)點。
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實現(xiàn)良好補償?shù)那疤幔挥性诰_地檢測出電網(wǎng)電流中的諧波前提下，才能進一步研究如何精確控制電流跟蹤實現(xiàn)理想的補償效果，如果連諧波檢測都無法做到精確就更不要考慮APF的補償效果是否達標。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、運算速度快的優(yōu)點，其基礎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)負載電流進行坐標變換可以得到ip和iq，且ip、 iq中既含有直流分量又含有交流分量，直流分量為負載電流的基波分量，交流分量為負載電流的諧波分量，濾除其中的交流分量得到直流分量
ip、iq，然后進行坐標反變換，得到基波分量iaf ，ibf ，icf 。再將基波分量與負載電流相減即可得到負載電流的諧波分量iah、ibh、ich。若需要同時對系統(tǒng)進行無功補償，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，進而可以實現(xiàn)對電網(wǎng)進行無功補償。
（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，使二者達到動態(tài)的有功平衡，就可以達到控制目的。
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)硬件與軟件設計
（1）硬件系統(tǒng)設計
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)電壓過零點檢測電路。采樣調(diào)理電路采集到電網(wǎng)負載電流電壓與直流側(cè)電壓后，主控板進行相應算法的運算，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)開始運行后，首先需要進行系統(tǒng)初始化和外設初始化，主要包括A/D、定時器、SVPWM、CAP、 I/O口等的初始化；開啟中斷服務程序，等待中斷；在系統(tǒng)運行過程中執(zhí)行故障檢測，如果發(fā)現(xiàn)故障，進行報警和故障處理；接收到啟動命令后進行直流側(cè)電容預充電，直到直流側(cè)電壓達到給定值；在運行過程中不斷循環(huán)邏輯判斷程序使得系統(tǒng)在不同的狀態(tài)進行切換。
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