CN110266008A - 基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器 - Google Patents

Abstract

一种基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器。目前，有源电力滤波器在我国的应用仍以低压小容量系统为主，研究和应用水平与发达国家相比有较大差距，这与国内电网谐波污染日益严重的状况很不适应。一种基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器，具有以下特征：主电路拓扑采用改进的中性点箝位型结构，这种新型拓扑由5电平有源中性点箝位模块和低压子模块组成，每相最多可输出11种电平，在谐波电流的检测中，采用基于瞬时无功功率理论的i_p‑i_q电流检测法；在电流的跟踪控制中，采用PI控制和重复控制对指令电流进行精确控制，直流电压采用分级控制方式，先控制整体直流侧电压，再控制相间电压平衡，最后控制相内电压平衡。

Description

基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器

技术领域：

本发明涉及一种基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器。

背景技术：

电能作为人们生活所必需的能源，其覆盖范围和应用程度代表着我国综合国力，随着经济和科技的发展，特别是电力电子技术迅猛发展，被大规模地运用在了电力领域。由于不平衡和非线性的负荷在配电网中不断地增多，电能质量受到了严重的影响，其危害越来越严重。因此，有效的抑制电网谐波以及补偿无功功率便成了解决这一问题的关键技术之一，有源电力滤波器就这样应运而生了。

目前，有源电力滤波器在我国的应用仍以低压小容量系统为主，研究和应用水平与发达国家相比有较大差距，这与国内电网谐波污染日益严重的状况很不适应。随着我国电能质量治理工作的深入和国内对谐波问题重视程度的提高，有源滤波技术必将在我国得到广泛地应用，市场潜力巨大。基本拓扑功率主回路的通常结构为两电平电压型PWM整流器（VSR），为提高电压等级和补偿容量，通过多重化和多电平技术又发展出多电平结构和级联结构等。多电平技术提出至今，已经有很多种变流器拓扑结构，但归纳后主要有四种拓扑：中性点箝位型、飞跨电容箝位型、模块化级联机构型以及具有独立直流电压源的H桥级联型。

与两电平APF相对比发现，多电平APF具有明显的优势，不仅降低了电力器件的耐压要求，而且装置输出电流谐波小且更接近正弦波，补偿效果更加“精细”。目前，国内投入市场的多以两电平拓扑结构的APF为主，本发明提出一种新型的11电平APF拓扑，由5电平有源中性点箝位模块和低压子模块结合而成，具有高频开关数量少，易模块化，装置输出电平数多，谐波小等特点。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器，在电流内环控制策略上采用新颖的比例积分（PI）控制加重复控制的组合控制策略实现对谐波电流的无静差跟踪，使用双二阶广义积分器锁相环跟踪电压矢量相角，使得装置在电网电压含有谐波成分时正常运行，设计了独特的调制算法，减轻了DSP的运算压力，通过电压分级控制和基于Buck-Boost电路的硬件均压方式实现电容电压的平衡控制和直流母线电压平衡控制。此外，系统还具有过压、过流、过温保护功能，确保了系统安全、可靠运行。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器，其组成包括：核心控制电路、信号调理电路和驱动电路，所述的核心控制电路、所述的信号调理电路和所述的驱动电路组成电力滤波器，系统主电路由连接电网的电感和中性点箝位型多电平有源滤波器组成，所述的信号调理电路和功率单元与三相交流电网和三非线性负载连接，所述的功率单元与所述的信号调理电路连接，所述的核心控制单元与所述的驱动电路连接，所述的驱动电路以CONCEPT公司的2SD315为核心，所述的核心控制电路以TI公司的DSP芯片TMS320F28335和ALTREA公司的FPGA芯片EP4CE15E22C8N为核心。

所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器，所述的有源电力滤波器主功率拓扑采用改进的5电平有源中性点箝位模块结合低压子模块组成，直流母线上下两电容电压均为Udc/2，所述的5电平有源中性点箝位模块中箝位电容电压为Udc/4，低压子模块中电容电压为Udc/8，新型拓扑每相最多可以输出11种电压，有源电力滤波器装置输出波形谐波小。

所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器，所述的有源电力滤波器的核心控制器采用DSP+FPGA架构，其中DSP数字处理芯片选用TI公司的TMS320F28335芯片，FPGA选用ALTERA公司的EP4CE15E22C8N芯片，所述的DSP数字处理芯片主要负责经过处理的采样信号的运算、指令电流提取、电流跟踪控制算法、均压算法的实现以及得到最终的三相调制信号，并将调制波并行发送给FPGA，FPGA主要负责将收到的调制信号数据经过调制算法的运算，得到带死区的PWM信号。

所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器，所述的有源电力滤波器采用双二阶广义积分器锁相环对电网电压进行相位的检测跟踪，当在电网不平衡与含有谐波的情况下，能够提取电压正序基波信号并跟踪它的相位、频率，当在普通锁相环中，加入所述的二阶广义积分器，提取电网基波信号及其正交信号，实现在电网不平衡和谐波干扰的复杂环境下依然能够准确锁相。

所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器，其所述的有源电力滤波器的直流电压控制方式，直流侧电压采用三级控制方法，首先要控制直流侧电压维持在给定值Uref，此时得到调制波相角为，然后再控制三相之间的电压平衡，得到各相相位角偏差、、，最后再进行相内电容电压平衡控制，通过对各正弦调制进行微调实现。

所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器，所述的有源电力滤波器的中点电压平衡控制策略，采用硬件电路控制电压平衡，是一种由储能电感及两个功率开关管IGBT与上、下电容构成的Buck-Boost硬件均压电路。

所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器的补偿方法，其改方法包括如下步骤：

首先由信号检测单元完成各电压、电流的检测与转换，包括电网三相电压、负载侧三相电流、有源电力滤波器输出的三相反馈电流、直流侧的电容电压；然后，根据检测到的数据在控制单元进行运算和控制，得到开关管的控制信号PWM；最后，PWM控制信号经功放驱动有源电力滤波器中各功率开关管的通断，使换流器输出相应的补偿电流，以补偿系统谐波电流。

本发明的有益效果：

1.本发明提出了一种新型的中性点箝位式11电平拓扑，由5电平有源中性点箝位模块和低压子模块组成，采用比例积分加重复控制组合的复合控制策略对谐波电流进行精准跟踪，基于瞬时无功功率理论的i_p-i_q电流检测法，三级控制直流电容电压，双二阶广义积分器锁相环对电网电压相位进行同步跟踪。

（1）提出的新型中性点箝位11电平变换器单相拓扑结构，是由一个5电平有源中性点箝位模块和一个低压子模块构成，通过低压子模块中较低的电容电压实现电平的倍增，提高滤波器的输出电平且减小了输出波形的谐波含量。

（2）采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq电流检测法，该方法能准确的检测出电网中的有功电流和无功电流的大小，提高系统的稳定性，并使用双二阶广义积分器锁相环对电网电压相位进行同步跟踪。

（3）对传统的电流环PI控制进行了改变，使用比例积分（PI）控制加重复控制的组合控制策略实现对谐波电流的无静差跟踪，从而保证有源电力滤波器的谐波补偿精度。

（4）通过电压分级控制和基于Buck-Boost电路的硬件均压方式实现电容电压的平衡控制和直流母线电压平衡控制，采用独特的调制算法，缩短了APF控制算法的运算周期，提高了系统的响应时间。

（5）采用DSP+FPGA的控制方式，DSP和FPGA分工明确，协同工作。DSP主要负责采样数据真实值处理及电流跟踪控制算法实现，FPGA作为DSP芯片的外围扩展器件，主要是实现并行接收DSP发出的数据，经过FPGA的逻辑运算来实现PWM脉冲信号的输出。

本发明的目的在于提供一种快速、安全、稳定的有源电力滤波器装置，优点是改进的中性点箝位11电平主功率拓扑具有输出电平数多，谐波小，低压子模块较低的电容电压可以实现装置电平的翻倍，实现了装置多电平波形输出，且新型拓扑高频开关数量减小，减小了系统损耗且延长了功率管的使用寿命。

本发明主电路拓扑采用改进的中性点箝位型结构，这种新型拓扑由5电平有源中性点箝位模块和低压子模块组成，每相最多可输出11种电平，减少了输出波形谐波；在谐波电流的检测中，采用基于瞬时无功功率理论的i_p-i_q电流检测法；在电流的跟踪控制中，采用PI控制和重复控制对指令电流进行精确控制，直流电压采用分级控制方式，先控制整体直流侧电压，再控制相间电压平衡，最后控制相内电压平衡。

本发明采用了全新的DSP+FPGA核心控制单元，电流内环采用了新颖的比例积分（PI）控制器加重复控制的复合控制策略，使用双二阶广义积分器锁相环（DSOGI-PLL）对可能存在的各种复杂情况的电网电压相位进行跟随检测，采用了独特的调制算法，减轻了DSP的运算压力，通过电压分级控制和基于Buck-Boost电路的硬件均压方式实现电容电压的平衡控制和直流母线电压平衡控制。使有源电力滤波器能够实时有效的跟踪谐波信号，适应复杂的电网环境，11电平输出波形减小了装置输出谐波，提高了APF输出波形的正弦性，有效的减少了电网电流的谐波成分，同时适用于负载功率较大的场合。

附图说明：

附图1是本发明的系统整体框图。

附图2直流侧电压三级控制框图。

附图3 改进的中性点箝位式11电平拓扑图。

附图4 i_p-i_q检测法原理图。

附图5 SOGI的结构框图。

附图6 不同k值下，GI(s)的Bode图。

附图7 不同k值下，QI(s)的Bode图。

附图8 DSOGI-PLL系统控制结构框图。

附图9 电流环控制结构简化框图。

附图10 离散重复控制系统框图。

附图11 负载侧A相电流波形图。

附图12 电网侧A相电流波形图。

附图13 非线性负载侧电流波形图。

附图14 APF处理后网侧电流波形图。

附图15 驱动电路图。

附图16 电流信号采样及调理电路图。

附图17 电网电压采样电路图。

附图18 直流电压检测电路图。

附图19 主程序流程图。

附图20 中断子程序的流程图。

实施方案：

具体实施方式：

实施例1：

如图1所示为基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器整体结构框图，从图中可以看出有源电力滤波器（APF）主要由核心控制单元、信号调节电路、电流跟踪控制、中点电压控制、驱动电路等部分组成。系统主电路由连接电网的电感和新型中性点箝位型多电平有源滤波器组成；控制器以TI公司的DSP芯片TMS320F28335和ALTREA公司的FPGA芯片EP4CE15E22C8N为核心。

实施例2：

根据权利要求1所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器的主功率拓扑，有源电力滤波器的主功率拓扑采用改进的5电平有源中性点箝位模块结合低压子模块组成，直流母线上下两电容电压均为Udc/2，5电平有源中性点箝位模块中箝位电容电压为Udc/4，低压子模块中电容电压为Udc/8，新型拓扑每相最多可以输出11种电压，有源电力滤波器装置输出波形谐波小。

实施例3：

根据实施例1或2所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器的核心控制单元，有源电力滤波器的核心控制器采用DSP+FPGA架构，其中DSP数字处理芯片选用TI公司的TMS320F28335芯片，FPGA选用ALTERA公司的EP4CE15E22C8N芯片。DSP主要负责经过处理的采样信号的运算、指令电流提取、电流跟踪控制算法、均压算法等的实现以及得到最终的三相调制信号，并将调制波并行发送给FPGA，FPGA主要负责将收到的调制信号数据经过调制算法的运算，得到带死区的PWM信号。

实施例4：

根据实施例1或2或3所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器的电流内环控制策略，利用PI调节控制方法实现了三相交流电的无静差跟踪控制，利用重复控制消除非线性负载引起的周期性谐波干扰。本发明采用PI控制结合重复控制的复合控制策略动态性能好、稳态精度高。

实施例5：

根据实施例1或2或3或4所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源滤波器，采用双二阶广义积分器锁相环（DSOGI-PLL）对电网电压进行相位的检测跟踪，其特征在于：它在电网不平衡与含有谐波的情况下，能够提取电压正序基波信号并跟踪它的相位、频率。在普通锁相环中，加入二阶广义积分器，提取电网基波信号及其正交信号，实现在电网不平衡和谐波干扰的复杂环境下依然能够准确锁相。

实施例6：

根据实施例1或2或3或4或5所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器的直流电压控制方式，直流侧电压采用三级控制方法，如图2为所示为直流侧电压三级控制框图，首先要控制直流侧电压维持在给定值Uref，此时得到调制波相角为，然后再控制三相之间的电压平衡，得到各相相位角偏差、、，最后再进行相内电容电压平衡控制，此部分是通过对各正弦调制进行微调实现，需要对各相内部电容电压进行平衡控制，这样才能保证最终各电容上电压的稳定。

实施例7：

根据实施例1或2或3或4或5或6所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器的中点电压平衡控制策略，本发明采用硬件电路控制电压平衡，是一种由储能电感及两个功率开关管IGBT与上、下电容构成的Buck-Boost硬件均压电路。

实施例8：

改进的中性点箝位型11电平APF工作状态：

如图3所示为改进的中性点箝位11电平变换器单相拓扑结构，由一个5电平有源中性点箝位模块和一个低压子模块构成，通过低压子模块中较低的电容电压实现电平的倍增，提高滤波器的输出电平且减小了输出波形的谐波含量。

本发明提出的新型11电平中性点箝位型有源电力滤波器的开关状态如表1所示。

谐波电流检测

有源电力滤波器作为谐波补偿装置，谐波检测方法的优劣直接影响到系统的补偿效果。本发明采用基于瞬时无功功率理论的i_p-i_q电流检测法，该方法具有较好的实时性，能准确的检测出电网中的有功电流和无功电流的大小，在检测基波无功电流时基本上是无延迟的。

首先计算出i_p、i_q：

由于，根据e合成矢量的分量与e的关系，得：

式中，其中：是锁相环跟踪电网得到的同步相位。将计算得到的i_p、i_q，进行数字滤波得到直流分量、，再将其反变换成三相电流的基波成分，变换公式如式(3)所示：

将三相电流信号减去基波电流，即可得到三相谐波电流分量，进而完成对谐波电流的检测工作，i_p-i_q检测法原理图如图4所示，当需要对系统谐波及无功同时进行检测时，断开图中i_q路径即可，对i_q进行反变换可得到系统无功电流。

双二阶广义积分器锁相环

本发明利用双二阶广义积分器锁相环（DSOGI-PLL）来跟随电网频率、相位，它在电网不平衡与含有谐波的情况下，能够提取电压正序基波信号并跟踪它的相位、频率。在普通软件锁相环中，加入二阶广义积分器，提取电网基波信号及其正交信号，实现在电网不平衡和谐波干扰的复杂环境下依然能够准确锁相。

不平衡时电压正负序分量分解

电网不平衡时，三相电网电压vabc通过对称分量法可以分解成对称的三组分量。正序和负序分量与电网电压vabc的关系为：

其中：

式中，表示旋转因子。

电网电压经过坐标变换至αβ坐标系上，其正序、负序分量分别是：

其中：，，表示滞后90°的旋转因子。

由上式可知，要想获得电网电压的正负序分量，必须先要获得、两个输入电压的正交分量。

二阶广义积分器（SOGI）

要想获得输入信号的90°相角偏移有各种各样的方法，例如延迟法、全通滤波器、微分法等，但是它们不能够起到抑制谐波的作用，并且对频率的变化动态响应慢。而采用二阶广义积分器（SOGI）生成两路互差90°信号，既能够达到对输入信号90°偏移，又能够抑制谐波干扰，输出电网基波频率信号。二阶广义积分器的结构框图见图5。

图5所示的SOGI的传递函数为：

从相频特性可以看出，二阶广义积分器的输出量qv'总是滞后v'一个90°的相位，不受参数k、ω、的影响，即qv'与v'两两正交。当输入信号v的角频率ω等于积分器的谐振频率时，积分器输出量v'等于输入量v，实现了无静差地跟踪。若将积分器谐振频率设置成电网基波频率，由幅频特性可以看出，电网谐波信号衰减，输出信号能够无静差地跟踪基波信号。

对于参数k对于滤波器的影响，如图6和7所示。

当输入信号中含有谐波时，由幅频特性可知，高次谐波和低次谐波经过SOGI后其增益减小，因此能够较好地被抑制。由Bode图6可见，系统的响应速率、带宽和参数k的值成正比。应当兼顾响应速率和滤波效果来确定k值，k一般取为。

结构

DSOGI-PLL由SOGI模块、正序分量计算模块、SSRF-PLL模块等构成，其控制框图见图8。利用SOGI模块将输入信号滤波和正交分相，再由正序分量计算模块计算得到两相静止坐标系下的正序基波分量。之后通过旋转坐标变换得到ud、uq，通过采用合适的控制策略实现uq输出为0，实现准确锁相的目的。ωff是电网的额定频率，将它与PI调节器输出相加，能够加快锁相环跟踪速度。锁相环确定的频率ωo作为SOGI的谐振频率，实现对输入信号的自适应控制。

电流内环比例积分（PI）-重复控制策略

PI控制

本发明在系统电流环误差跟踪控制设计时，需要对耦合信号进行解耦，需要求得在两相旋转坐标系下的电压、电流量。对于平衡的三相三桥臂换流器不存在零序分量，所以把三相电感电流I_a，I_b，I_c经过clark、park变换为d-q轴上的两个直流量I_d，_Iq进行控制设计。如图9所示为本文中设计的电流闭环系统框图。

可知电流环开环传递函数推算如式(15)为：

对上式采用消除零极点的方法，可得式(16)为：

得到系统的闭环传递函数如式(17)为：

式中：为系统时间常数，其不同的选取数值会影响系统的响应速度。

重复控制策略

重复控制器的功能是可以把在一个稳定的闭环内周期性偏差进行有效的消除。这种算法主要以内模原理为依据,即在反馈控制系统中，若在稳定的闭环控制系统内包含相同的被控外部信号的动态模型，那么该系统就能够实现对输入信号无静差的跟踪。内模原理的本质就是在模型内部额外增设一个有外部信号控制的模型，使得系统稳定性不受模型内部输入影响，即使控制器输入信号含有大量干扰信号或者输入信号完全消失，控制器也可以依靠内部额外增设的外部信号控制模块保持控制系统的稳定性。假如没有内部额外增设的外部控制模型，当误差量接近0时，也就是控制器的反馈信号几乎等于给定信号，那么，此时的控制器输入信号就相当于是0，也就是没有了输入信号，系统就可能出现故障。所以，内模原理在内部模型额外增设外部信号控制模块很好的解决了控制器稳定性受输入信号影响的问题，可以使控制器成为不依赖外部变量的信号发生器，可以在没有外部给定的情况下发出控制信号。

无功和谐波电流作为给定信号，包含多个频率的信号，想要实现无静差跟踪，必须设置多个内膜，即对每一种频率的谐波信号都设置一个内模，这就导致内模数量很大，实际应用很难实现。谐波信号在每个工频周期的波形完全相同。因此可以选择这样的内模如式(18)为：

上述公式中的为输入的给定量的周期时间，由上市可以看出来此系统输入输出是有一定延时的，输出与输入具有正向反馈作用，如果输入的给定量是任意形状的，只要它具有基频倍数、循环、重复性，该给定量就会经过内模控制器累加，每个周期都会累加一次，输出的信号会有几个周期的延迟，也就是说第四个周期的输入信号为0，则第7或8个周期的输出量为前四个周期的累加量，类似于多个积分环节，给定周期信号的每个点在每个周期累加一次，相当于一个积分环节。其离散形式为式(19)对于其离散形式来说，相当于N个积分器串联，其中N为一个周期的采样次数。重复控制器的框图如图10所示。

其中：为给定输入量；为系统输出量；为输入输出间的偏差信号；为经过补偿后的参考信号；为扰动量；为延时环节；N为在一个基波周期内的采样次数；为增益系数；是对补偿器以及被控对象进行相位补偿的超前补偿环节；为辅助补偿器，为了使系统稳定，可以取一个小于1的常数或低通滤波器；为被控对象的传递函数；是针对被控对象的补偿器。

电容电压控制策略

在APF正常运行的时候，电容电压会因谐波和开关器件损耗的存在等原因而波动，因此必须对电容电压进行稳定控制。

本发明采用PI调节的方法对电容电压进行一级控制。给定一个直流侧的电压值Uref，Uref与直流侧电压实际值Udc进行作差，将结果经过PI调节器后，得到调节直流电压的指令信号Iref。将Iref作为有功电流的给定信号，进行有源电力滤波器的直流侧与交流侧能量交换，从而调节至给定值Uref。

本发明有源电力滤波器装置每相是由5电平有源中性点箝位模块和低压子模块组成，5电平模块中包括两个电压为Udc/2和Udc/4电容，低压子模块中电容电压为Udc/8。在理想情况下，APF稳定运行过程中直流侧各电容电压将保持平衡。先计算三相直流侧电压平均值Udc为参考电压，A、B、C各相直流侧电压平均值分别与之作差比较，经PI调节，分别输出、、，再分别叠加到原来的角度上就得到相角为、、的二级调制波。除了对三相之间的电容电压进行平衡调节之外，还需要对各相内部电容电压进行平衡控制，这样才能保证最终各电容上电压相等因为相内各单元与此相电压给定值也存在偏差,本发明对这些电容电压的控制是通过对各正弦调制波进行微调实现的，所需补偿电压调节信号由系统是发出还是吸收无功决定，若吸收无功，则所补偿电压调节信号应该为正，反之为负。经过以上步骤，最终三相电压调制波为uam、ubm、ucm。

实施例9：

本发明基于改进的中性点箝位型多电平有源滤波器整个系统的完成包括系统整体仿真分析、硬件电路设计和软件设计。

在硬件电路的设计之前，首先通过MATLAB/Simulink系统仿真软件对系统进行仿真，得到相应结果。图11为负载侧A相电流的波形，图12所示为电网侧A相电流的波形图13为电网补偿之前A相电压电流的波形，图14为使能APF之后A相电压，网侧电流、补偿电流的波形。

硬件部分主要包括主控电路、主功率电路、驱动电路、信号检测处理电路。主控电路包括I/O口输入滤波限幅电路，供电电源电路，PWM信号处理电路。DSP+FPGA作为有源电力滤波器控制核心，I/O口输入滤波限幅电路作为信号检测处理电路的接口，电源电路负责各模块供电，PWM信号处理电路连接驱动电路。

如图15所示为驱动电路。选用瑞士CONCEPT公司推出的型号为2SD315AI的驱动模块。该驱动采用专用开发的芯片制造，能够安全可靠地驱动IGBT和MOSFET。2SD315AI驱动器适用于1200V和1700V耐压的IGBT，具有短路保护和过电流保护的功能，门极驱动电流高达±15A。该驱动器还具有隔离的电气接口，开关频率范围从DC到大于100KHz，占空比能够从0到100%，能够抗很高的dv/dt，大于100000V/us。本驱动器具有直接模式和半桥模式两种工作方式。将驱动器的8脚MOD与VDD短接，工作于直接模式，此时通道A和B没有关系，两通道独立工作，并将RC1和RC2与GND短接，此时状态输出SO1/SO2也是独立工作。将驱动器的8脚MOD与GND短接，工作于半桥模式，两通道间产生一个死区时间，死区时间由引脚5和7间的RC网络调整，此时INB接高电平使能，INA为两个信号的总输入端。

图16为信号检测处理电路得到供给DSP采样的系统电流、电压模拟信号。信号检测处理电路输出口与主控电路的I/O口输入滤波限幅电路相连接。电流霍尔元件用来检测三相负载电流和APF输出的三相补偿电流。电压霍尔元件负责检测主电路直流侧电压。信号调理电路负责将检测到的信号进行合理的调整，以满足DSP控制电路的电压电流要求。DSP控制电流经过计算产生的PWM信号经过驱动电路控制主电路PWM变流器产生补偿电流，补偿电网中的谐波和无功，保证电网侧电流信号为正弦波。

图17为电网电压采样电路。在逆变控制系统中，需要对电网电压进行采样，通过锁相环获得所需要的相位信息。本课题使用CHV-25P/100霍尔电压传感器对电网电压进行采样。被测电压经过霍尔传感器后，在输出端按比例产生相应的电压信号。经过一个电压跟随器和调理、限幅电路后输送到DSP的AD采样端口。具体的硬件电路如图17所示。

图18为直流电压检测电路。在逆变系统中，需要对直流侧电压进行检测，以便在直流侧电压出现异常时，控制器做出相应故障诊断及处理措施。被测电压经过霍尔传感器CHV-25P/800后，在输出端按比例产生相应的电压信号。经过一个电压跟随器和限幅电路后输送到DSP的AD采样端口。具体的硬件电路如图18所示。

系统的主程序流程图如图19所示。本系统采用DSP28335进行控制，主程序主要完成系统初始化以及故障检测等内容，中断程序包括AD采样，锁相环以及直流电压与补偿电流策略的实现。在图19所示的系统的主程序流程图中，在系统在刚开始运行时候关闭一切中断进行系统的初始化，完成了程序中所用到的各个单元的初始设定。在初始化完成后开中断，启动定时器，等待中断。

中断子程序的流程图如图20所示。AD中断用于完成谐波电流的采样、查询正弦表方式的软件锁相环、坐标变换、数字滑动均值滤波计算、直流侧电压的控制以及电流跟踪控制算法运算，发送数据给FPGA，在FPGA实现独特调制算法以后产生36路PWM波。图20为A/D中断服务子程序的软件流程图。

Claims (7)

1.一种基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器，其组成包括：核心控制电路、信号调理电路和驱动电路，其特征是：所述的核心控制电路、所述的信号调理电路和所述的驱动电路组成电力滤波器，系统主电路由连接电网的电感和中性点箝位型多电平有源滤波器组成，所述的信号调理电路和功率单元与三相交流电网和三非线性负载连接，所述的功率单元与所述的信号调理电路连接，所述的核心控制单元与所述的驱动电路连接，所述的驱动电路以CONCEPT公司的2SD315模块为核心，所述的核心控制电路以TI公司的DSP芯片TMS320F28335和ALTREA公司的FPGA芯片EP4CE15E22C8N为核心。

2.根据权利要求1所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器，其特征是：所述的有源电力滤波器主功率拓扑采用改进的5电平有源中性点箝位模块结合低压子模块组成，直流母线上下两电容电压均为Udc/2，所述的5电平有源中性点箝位模块中箝位电容电压为Udc/4，低压子模块中电容电压为Udc/8，新型拓扑每相最多可以输出11种电压，有源电力滤波器装置输出波形谐波小。

3.根据权利要求2所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器，其特征是：所述的有源电力滤波器的核心控制器采用DSP+FPGA架构，其中DSP数字处理芯片选用TI公司的TMS320F28335芯片，FPGA选用ALTERA公司的EP4CE15E22C8N芯片，所述的DSP数字处理芯片主要负责经过处理的采样信号的运算、指令电流提取、电流跟踪控制算法、均压算法的实现以及得到最终的三相调制信号，并将调制波并行发送给FPGA，FPGA主要负责将收到的调制信号数据经过调制算法的运算，得到带死区的PWM信号。

4.根据权利要求3所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器，其特征是：所述的有源电力滤波器采用双二阶广义积分器锁相环对电网电压进行相位的检测跟踪，当在电网不平衡与含有谐波的情况下，能够提取电压正序基波信号并跟踪它的相位、频率，当在普通锁相环中，加入所述的二阶广义积分器，提取电网基波信号及其正交信号，实现在电网不平衡和谐波干扰的复杂环境下依然能够准确锁相。

5.根据权利要求4所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器，其特征是：所述的有源电力滤波器的直流电压控制方式，直流侧电压采用三级控制方法，首先要控制直流侧电压维持在给定值Uref，此时得到调制波相角为，然后再控制三相之间的电压平衡，得到各相相位角偏差、、，最后再进行相内电容电压平衡控制，通过对各正弦调制进行微调实现。

6.根据权利要求5所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器，其特征是：所述的有源电力滤波器的中点电压平衡控制策略，采用硬件电路控制电压平衡，是一种由储能电感及两个功率开关管IGBT与上、下电容构成的Buck-Boost硬件均压电路。

7.一种权利要求1—6之一所述的基于改进的中性点箝位型多电平有源电力滤波器的补偿方法，其特征是:该方法包括如下步骤：

首先由信号检测单元完成各电压、电流的检测与转换，包括电网三相电压、负载侧三相电流、有源电力滤波器输出的三相反馈电流、直流侧的电容电压；然后，根据检测到的数据在控制单元进行运算和控制，得到开关管的控制信号PWM；最后，PWM控制信号经功放驱动有源电力滤波器中各功率开关管的通断，使换流器输出相应的补偿电流，以补偿系统谐波电流。