静止坐标系下的四桥臂APF的三维空间矢量调制算法的制作方法

本发明涉及电力系统领域,确切地说是指应用于四桥臂APF主电路中的在静止坐标系下的三维空间矢量调制算法。

背景技术：

近30年来，随着电力电子装置在工业中的广泛应用，电网的谐波污染问题日趋严重，严重影响电能质量。谐波不仅影响电气设备的正常工作，还给电网的安全经济运行带来了隐患。

通常对四桥臂拓扑进行三维空间矢量调制时，人们将静止坐标系转化为在α-β-γ空间坐标系下，这是将二维空间矢量在三维空间矢量的扩展。实际上这种变换增加了控制的复杂程度。静止坐标系下的开关矢量布局与三相相电压有更加直观的对应关系,而α-β-γ坐标系下开关矢量的三维模型需要进行坐标变换,比较难以理解。且在α-β-γ坐标系下的运算由于具有根号，使得对其进行数字化实现时存在一定的误差。从算法的实现上来看,基于静止坐标系的3D-SVPWM算法更加简单，直观。

技术实现要素：

本发明针对在α-β-γ坐标系下进行三维空间矢量调制算法不直观，不利于理解以及不利于数字化实现的问题，采样了一种在静止坐标系下的三维空间矢量调制算法。该方法可以省去进行α-β-γ坐标变换的复杂矩阵变换，同时在空间四面体的选择和占空比计算上也比α-β-γ坐标系下要简单的多。

本发明的技术方案为：

一种在静止坐标系下的四桥臂APF的三维空间矢量调制算法，包括在电网电流一侧依次串联指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路以及主电路；所述指令电流运算电路、电流跟踪控制电路包括霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、信号调理电路、AD7656模块、DSP控制器；所述霍尔电流传感器、霍尔电压传感器分别通过信号调理电路、AD7656模块和DSP控制器相连；DSP控制器用来执行在静止坐标系下的三维空间矢量调制算法，产生脉冲驱动信号，最后通过驱动电路控制大功率IGBT开通关断。所述驱动电路主要包括型号为M57962L的主控制芯片，它可以实现对PWM控制信号的隔离和放大，直接地驱 动100A/1200V以内的IGBT。所述主电路模块的拓扑结构为一个四桥臂的PWM变换器，它的容量选为10KVA；直流侧的电容电压容量选为600μF；它的大功率开关器件IGBT选型为额定电流为50A，额定电压为1200V的IGBT，即型号是BSM50GB120DLC。

进一步，所述主电路模块是一个四桥臂结构，由8个IGBT开关管组成，每相桥臂有上下两个IGBT开关管，直流侧是由一个直流电容构成。

本发明的方法的技术方案为：静止坐标系下的四桥臂APF的三维空间矢量调制算法，包括以下步骤：

步骤1，构建有源电力滤波器，通过霍尔电压传感器、霍尔电流传感器分别获得电网的电压e_a，e_b，e_c和负载电流i_a,i_b,i_c的值；

步骤2，经过三相四线制系统的dq0谐波电流检测算法得出谐波电流指令信号，再通过PR跟踪电流控制策略得出参考电压指令在三维空间的矢量坐标，即a,b,c坐标轴下对应的数值分别为V_aref、V_bref、V_cref；

步骤3，定义：

步骤4，根据步骤3的定义，求出RP的数值，得出RP共有24个数值，且每个求出的数值对应不同的空间四面体的基本参考电压矢量；RP对应的非零开关电压矢量表述如下：

1)当RP＝1时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V10、Vd3＝V12；

2)当RP＝5时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V10、Vd3＝V12；

3)当RP＝7时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V4、Vd3＝V12；

4)当RP＝8时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V4、Vd3＝V8；

5)当RP＝9时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V10、Vd3＝V14；

6)当RP＝13时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V10、Vd3＝V14；

7)当RP＝14时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V6、Vd3＝V14；

8)当RP＝16时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V6、Vd3＝V8；

9)当RP＝17时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V11、Vd3＝V12；

10)当RP＝19时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V11、Vd3＝V12；

11)当RP＝23时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V4、Vd3＝V12；

12)当RP＝24时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V4、Vd3＝V8；

13)当RP＝41时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V13、Vd3＝V14；

14)当RP＝42时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V13、Vd3＝V14；

15)当RP＝46时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V6、Vd3＝V14；

16)当RP＝48时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V6、Vd3＝V8；

17)当RP＝49时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V11、Vd3＝V15；

18)当RP＝51时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V11、Vd3＝V15；

19)当RP＝52时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V7、Vd3＝V15；

20)当RP＝56时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V7、Vd3＝V8；

21)当RP＝57时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V13、Vd3＝V15；

22)当RP＝58时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V13、Vd3＝V15；

23)当RP＝60时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V7、Vd3＝V15；

24)当RP＝64时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V7、Vd3＝V8；

步骤5，根据步骤4所确定的基本参考电压矢量后，按照安秒平衡原则，开始求取每个基本参考矢量所对应的占空比；RP相对应的占空比表述如下：

1)当RP＝1时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V10、Vd3＝V12；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_cref、d2＝-V_bref+V_cref、d3＝-V_aref+V_bref；

2)当RP＝5时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V10、Vd3＝V12；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_cref、d2＝-V_bref、d3＝-V_aref+V_bref；

3)当RP＝7时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V4、Vd3＝V12；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_bref+V_cref、d2＝V_bref、d3＝-V_aref；

4)当RP＝8时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V4、Vd3＝V8；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_bref+V_cref、d2＝-V_aref+V_bref、d3＝V_aref；

5)当RP＝9时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V10、Vd3＝V14；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_cref、d2＝-V_aref+V_cref、d3＝V_aref-V_bref；

6)当RP＝13时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V10、Vd3＝V14；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_cref、d2＝-V_aref、d3＝V_aref-V_bref；

7)当RP＝14时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V6、Vd3＝V14；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_aref+V_cref、d2＝V_aref、d3＝-V_bref；

8)当RP＝16时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V6、Vd3＝V8；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_aref+V_cref、d2＝V_aref-V_bref、d3＝V_bref；

9)当RP＝17时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V11、Vd3＝V12；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_bref、d2＝V_bref-V_cref、d3＝-V_aref+V_cref；

10)当RP＝19时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V11、Vd3＝V12；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_bref、d2＝-V_cref、d3＝-V_aref+V_cref；

11)当RP＝23时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V4、Vd3＝V12；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_bref-V_cref、d2＝V_cref、d3＝-V_aref；

12)当RP＝24时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V4、Vd3＝V8；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_bref-V_cref、d2＝-V_aref+V_cref、d3＝V_aref；

13)当RP＝41时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V13、Vd3＝V14；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_aref、d2＝-V_aref+V_cref、d3＝-V_bref+V_cref；

14)当RP＝42时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V13、Vd3＝V14；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_aref、d2＝-V_aref、d3＝-V_bref；

15)当RP＝46时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V6、Vd3＝V14；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_aref-V_cref、d2＝V_aref、d3＝V_bref；

16)当RP＝48时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V6、Vd3＝V8；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_aref-V_cref、d2＝-V_bref+V_cref、d3＝V_aref-V_cref；

17)当RP＝49时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V11、Vd3＝V15；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_bref、d2＝-V_aref+V_bref、d3＝V_aref-V_cref；

18)当RP＝51时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V11、Vd3＝V15；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_bref、d2＝-V_aref、d3＝V_aref；

19)当RP＝52时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V7、Vd3＝V15；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_aref+V_bref、d2＝V_aref、d3＝-V_cref；

20)当RP＝56时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V7、Vd3＝V8；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_aref+V_bref、d2＝V_aref-V_cref、d3＝V_cref；

21)当RP＝57时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V13、Vd3＝V15；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_aref、d2＝V_aref-V_bref、d3＝V_bref-V_cref；

22)当RP＝58时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V13、Vd3＝V15；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_aref、d2＝-V_bref、d3＝V_bref-V_cref；

23)当RP＝60时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V7、Vd3＝V15；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_aref-V_bref、d2＝V_bref、d3＝-V_cref；

24)当RP＝64时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V7、Vd3＝V8；此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_aref-V_bref、d2＝V_bref-V_cref、d3＝V_cref；

步骤6，确定基本参考开关矢量的占空比后，只要选择了基本开关矢量的排列顺序，就可以对其进行DSP编程；这里选用的是中心对称的排列方式；

步骤7，根据步骤6产生的DSP控制脉冲信号，经过设计的驱动电路单元驱动四个桥臂上的大功率IGBT来生成指令电流，从而补偿电网中的谐波，达到使电网谐波满足电能质量指标的目的。

进一步，所述有源电力滤波器包括在电网电流一侧依次串联指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路以及主电路；

所述指令电流运算电路、电流跟踪控制电路均由霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、信号调理电路、AD7656模块、DSP控制器组成；

所述霍尔电流传感器、霍尔电压传感器分别通过信号调理电路、AD7656模块和DSP控制器相连；DSP控制器用来执行在静止坐标系下的三维空间矢量调制算法，产生脉冲驱动信号，最后通过驱动电路控制大功率IGBT开通关断。

进一步，所述驱动电路主要包括型号为M57962L的主控制芯片，它能够实现对PWM控制信号的隔离和放大，直接地驱动100A/1200V以内的IGBT。

进一步，所述主电路模块的拓扑结构为一个四桥臂的PWM变换器，由8个IGBT开关管组成，每相桥臂有上下两个IGBT开关管，直流侧是由一个直流电容构成。

进一步，所述主电路模块的容量选为10KVA；直流侧的电容电压容量选为600μF；它的大功率开关器件IGBT选型为额定电流为50A，额定电压为1200V的IGBT，即型号是BSM50GB120DLC。

本发明具有以下技术效果：

1)所述这种基于在静止坐标系下的三维空间矢量调制算法的四线制有源电力滤波器由依次串联指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路以及主电路组成，其中主电路的拓扑结构为一个三相四桥臂的PWM变换器，作为一种三相四线变换器拓扑形式，三相四桥臂变换器通过附加的第四桥臂提供了零序电流通路，可应对不平衡负载或不平衡电网的需要。与传统的三相四线变换器，尤其是工频变压器隔离的三相四线变换器相比，三相四桥臂变换器具有结构简单、体积小、成本低等突出优点。

2)由于增加了一个桥臂，并且输出的负载可能不对称，不再满足Xa+Xb+Xc＝0,与传统的二维空间矢量条件不符，空间矢量不在一个平面内，需将二维空间矢量扩展为三维空间矢量就可解决问题，参考电压矢量的轨迹由二维空间增加到三维空间，及三维空间矢量PWM控制，该控制方法容易实现变换器实时控制、直流利用率高，同时这种控制思想也便于数字化实现，且通过对零矢量的合理控制可以降低谐波含量或降低开关损耗。

3)在主电路调制算法环节这里提出了在静止坐标系下的三维空间矢量调制技术来实现对这个四桥臂主电路的PWM的控制。相比于现有的在α-β-γ坐标系下的三维空间矢量调制算法，这里采用的静止坐标系下的三维空间矢量调制算法不需要矩阵变换，大大简化了计算过程；更便于理解，且开关矢量的位置更加清晰；判断参考电压矢量位置时，有统一的RP计算公式；且每个基本电压参考矢量的坐标都是由0、1、-1构成，省去了很多根号计算，有利于其数字化实现。

4)在实际应用中大多数都是三相不平衡系统，而传统的p-q,ip-iq,d-q检测法忽略了零序电流，从而产生零序谐波泄露误差。这里基于瞬时无功功率理论的基本原理采用dq0谐波检测算法，精确地检测出电流谐波，给出准确的电流指令信号。

采用MATLAB7.0在Simulink环境中搭建了三相四线制有源电力滤波器的仿真系统，并且把在静止坐标系下的三维空间矢量调制算法应用于整个有源电力滤波器系统的模型，由仿真结果可以看出这种调制算法可以取得了很好的效果。

附图说明

图1本发明提出的一个三相四线制有源电力滤波器的结构框图；

图2为dq0检测算法的原理框图；

图3为本发明提出的四桥臂变流器拓扑；

图4为本发明提出的四桥臂逆变器在a-b-c坐标系下的开关矢量；

图5为本发明提出的二十四个空间四面体分割；

图6为本发明提出的对称序列方式的中心对称开关信号图；

图7为本发明提出的三相四桥臂拓扑仿真模型图；

图8为本发明提出的静止坐标下的三维空间矢量调制算法的仿真模块图；

图9为本发明提出的参考矢量所在四面体的判断的仿真；

图10为本发明提出的四个桥臂的控制波形仿真图；(a)A桥臂的控制波形；(b)B桥臂的控制波形；(c)C桥臂的控制波形；(d)F桥臂的控制波形；

图11为本发明提出的在静止坐标系下三维空间矢量调制算法的补偿电流前后对比图； 其中(a)为补偿前的电网电流；(b)为补偿后的电网电流；

图12为指令电流运算电路、电流跟踪控制电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

谐波电流dq0检测方法的原理如图2所示。其中输入负载电流信号表示为i_La、i_Lb、i_Lc。又可以写成各次频率的正序分量与负序分量相加的形式。其中I⁺_k表示k次电流正序分量的幅值；I^-_k表示k次电流负序分量的幅值。同样代表的是k次电流分量的正序和负序相位角。

dq0坐标变换是指以n(±1，±2，±3)倍的基波正序分量角度进行的坐标变换。经过dq变换后，当n取k次时，再经过LPF就可以得到k次的直流信号当满足条件n＞0时，此时k次谐波经过旋转后的正序分量就变为直流分量；同理，当满足条件n＜0时，此时—k次谐波经过旋转后的负序分量就变为直流分量。再通过LPF就可以获得相应次谐波的各序分量。

从图可以看到，输入三相负载电流信号分别以ωt、-ωt的角度进行dq旋转坐标变换。其中基波正序分量经过ωt旋转坐标变换后变为直流分量；而基波负序分量经过-ωt旋转坐标变换后同样也变为直流信号。通过这种方法得到的直流分量再经过LPF分别获得正序基波分量以及负序基波分量。前者与负荷电流直接相减就可以得到基波负序分量和谐波分量。后者则需要将其转换到相同的坐标系，做差得到除去基波负序的所有次谐波分量。

如图1所示，为本发明提出的一个三相四线制有源电力滤波器的结构框图。包括在电网电流一侧依次串联指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路以及主电路；所述指令电流运算电路、电流跟踪控制电路包括霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、信号调理电路、AD7656模块、DSP控制器；所述霍尔电流传感器、霍尔电压传感器分别通过信号调理电路、AD7656模块和DSP控制器相连；DSP控制器用来执行在静止坐标系下的三维 空间矢量调制算法，产生脉冲驱动信号，最后通过驱动电路控制大功率IGBT开通关断。所述驱动电路主要包括型号为M57962L的主控制芯片，它可以实现对PWM控制信号的隔离和放大，直接地驱动100A/1200V以内的IGBT。所述主电路变流器拓扑结构见附图3，它是一个四桥臂结构，由8个IGBT开关管组成，每相桥臂有上下两个IGBT开关管，直流侧是由一个直流电容构成。它的容量选为10KVA；直流侧的电容电压容量选为600μF；它的大功率开关器件IGBT选型为额定电流为50A，额定电压为1200V的IGBT，即型号是BSM50GB120DLC。

上述DSP控制器中将完成以下在静止坐标系下四桥臂APF的三维空间矢量调制算法，包括以下步骤：

步骤1，构建有源电力滤波器，通过霍尔电压传感器、霍尔电流传感器分别获得电网的电压e_a，e_b，e_c和负载电流i_a,i_b,i_c的值；

步骤2，经过三相四线制系统的dq0谐波电流检测算法得出谐波电流指令信号，再通过PR跟踪电流控制策略得出参考电压指令在三维空间的矢量坐标，即V_aref、V_bref、V_cref的数值；

步骤3，这里定义：

步骤4，根据步骤3的定义，计算出RP的数值，可以发现，RP共有24个数值，且每个求出的数值对应不同的空间四面体的基本参考电压矢量，见表格；

表RP对应的非零开关电压矢量

表格RP对应的非零开关电压矢量文字表述如下:

1)当RP＝1时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V10、Vd3＝V12；

2)当RP＝5时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V10、Vd3＝V12；

3)当RP＝7时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V4、Vd3＝V12；

4)当RP＝8时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V4、Vd3＝V8；

5)当RP＝9时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V10、Vd3＝V14；

6)当RP＝13时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V10、Vd3＝V14；

7)当RP＝14时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V6、Vd3＝V14；

8)当RP＝16时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V6、Vd3＝V8；

9)当RP＝17时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V11、Vd3＝V12；

10)当RP＝19时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V11、Vd3＝V12；

11)当RP＝23时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V4、Vd3＝V12；

12)当RP＝24时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V4、Vd3＝V8；

13)当RP＝41时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V13、Vd3＝V14；

14)当RP＝42时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V13、Vd3＝V14；

15)当RP＝46时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V6、Vd3＝V14；

16)当RP＝48时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V6、Vd3＝V8；

17)当RP＝49时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V11、Vd3＝V15；

18)当RP＝51时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V11、Vd3＝V15；

19)当RP＝52时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V7、Vd3＝V15；

20)当RP＝56时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V7、Vd3＝V8；

21)当RP＝57时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V13、Vd3＝V15；

22)当RP＝58时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V13、Vd3＝V15；

23)当RP＝60时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V7、Vd3＝V15；

24)当RP＝64时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V7、Vd3＝V8。

步骤5，根据步骤4所确定的基本参考电压矢量后，按照安秒平衡原则，开始求取每个基本参考矢量所对应的占空比，见表格；

表RP相对应的占空比

表格RP相对应的占空比文字表述如下:

1)当RP＝1时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V10、Vd3＝V12。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_cref、d2＝-V_bref+V_cref、d3＝-V_aref+V_bref。

2)当RP＝5时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V10、Vd3＝V12。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_cref、d2＝-V_bref、d3＝-V_aref+V_bref。

3)当RP＝7时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V4、Vd3＝V12。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_bref+V_cref、d2＝V_bref、d3＝-V_aref。

4)当RP＝8时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V4、Vd3＝V8。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_bref+V_cref、d2＝-V_aref+V_bref、d3＝V_aref。

5)当RP＝9时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V10、Vd3＝V14。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_cref、d2＝-V_aref+V_cref、d3＝V_aref-V_bref。

6)当RP＝13时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V10、Vd3＝V14。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_cref、d2＝-V_aref、d3＝V_aref-V_bref。

7)当RP＝14时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V6、Vd3＝V14。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_aref+V_cref、d2＝V_aref、d3＝-V_bref。

8)当RP＝16时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V2、Vd2＝V6、Vd3＝V8。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_aref+V_cref、d2＝V_aref-V_bref、d3＝V_bref。

9)当RP＝17时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V11、Vd3＝V12。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_bref、d2＝V_bref-V_cref、d3＝-V_aref+V_cref。

10)当RP＝19时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V11、Vd3＝V12。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_bref、d2＝-V_cref、d3＝-V_aref+V_cref。

11)当RP＝23时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V4、Vd3＝V12。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_bref-V_cref、d2＝V_cref、d3＝-V_aref。

12)当RP＝24时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V4、Vd3＝V8。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_bref-V_cref、d2＝-V_aref+V_cref、d3＝V_aref。

13)当RP＝41时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V13、Vd3＝V14。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_aref、d2＝-V_aref+V_cref、d3＝-V_bref+V_cref。

14)当RP＝42时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V13、Vd3＝V14。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_aref、d2＝-V_aref、d3＝-V_bref。

15)当RP＝46时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V6、Vd3＝V14。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_aref-V_cref、d2＝V_aref、d3＝V_bref。

16)当RP＝48时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V6、Vd3＝V8。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_aref-V_cref、d2＝-V_bref+V_cref、d3＝V_aref-V_cref。

17)当RP＝49时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V11、Vd3＝V15。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_bref、d2＝-V_aref+V_bref、d3＝V_aref-V_cref。

18)当RP＝51时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V11、Vd3＝V15。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_bref、d2＝-V_aref、d3＝V_aref。

19)当RP＝52时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V7、Vd3＝V15。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_aref+V_bref、d2＝V_aref、d3＝-V_cref。

20)当RP＝56时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V3、Vd2＝V7、Vd3＝V8。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_aref+V_bref、d2＝V_aref-V_cref、d3＝V_cref。

21)当RP＝57时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V9、Vd2＝V13、Vd3＝V15。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝-V_aref、d2＝V_aref-V_bref、d3＝V_bref-V_cref。

22)当RP＝58时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V13、Vd3＝V15。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_aref、d2＝-V_bref、d3＝V_bref-V_cref。

23)当RP＝60时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V7、Vd3＝V15。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_aref-V_bref、d2＝V_bref、d3＝-V_cref。

24)当RP＝64时，选取的基本参考电压矢量Vd1＝V5、Vd2＝V7、Vd3＝V8。此时对应的各个基本参考电压矢量的占空比d1＝V_aref-V_bref、d2＝V_bref-V_cref、d3＝V_cref。

步骤6，确定基本参考开关矢量的占空比后，只要选择了基本开关矢量的排列顺序，就可以对其进行DSP编程。这里选用的是中心对称的排列方式。

步骤7，根据步骤6产生的DSP控制脉冲信号，经过设计的驱动电路单元驱动四个桥臂上的大功率IGBT来生成指令电流，从而补偿电网中的谐波。达到使电网谐波满足电能质量指标的目的。

本发明一种在静止坐标系下四桥臂APF的三维空间矢量调制算法如图4所示，其主要原理如下：

1)三维空间的开关矢量

在定义空间基本开关矢量时，这里我们令每个桥臂上侧桥臂开通、下侧桥臂关断为1，与之对应的相反的为0。于是就能获得包含2个零开关矢量(V1,V16)和14个非零开关矢量(V2到V15)，A、B、C、F四个桥臂的开关状态分别表示为S_a、S_b、S_c、S_f；空间电压矢量可以写成V_af、V_bf、V_cf；16个基本合成矢量用V1到V16表示。以下表中的第4个状态为例，此时的S_a、S_b、S_c、S_f的值分别为0、1、1、0；相应地推算出V_af、V_bf、V_cf分别为0、1、1；代表a桥臂上管关断，下管导通；b、c桥臂上管导通，下管关断。且第4状态的电压矢量位于a-b-c坐标系下(0，1，1)处。

四桥臂逆变器开关状态表

把表中16个基本电压状态在a-b-c坐标系下画成三维空间矢量图就可以得到一个空间十二面体。这十六个基本开关状态所围成的每个立方体的边长为1。且从V1到V8分布在这个多面体V_c轴正的区域。V9到V16分布在多面体的V_c轴负的区域。在围成空间的十二面体中，Va＝±1,Vb＝±1,Vc＝±1这六个平面与坐标轴平行。并且Va-Vb＝±1,Vb-Vc＝±1,Va-Vc＝±1这六个平面与坐标轴的夹角为45度。因而可以通过参考电压矢量与这六个平面的位置来判断其空间轨迹。如图4所示。

2)开关矢量的选择

通过图能看到，可以用平面Va＝0、Vb＝0、Vc＝0和Va-Vb＝0、Vb-Vc＝0、Va-Vc＝0这六个平面将控制区域划分成如图5所示的二十四个空间四面体。

如上图所示，加粗的部分为被分割的空间四面体。且任意空间四面体都是由三个基本矢量和两个零矢量合成。由于是用平面Va＝0、Vb＝0、Vc＝0和Va-Vb＝0、Vb-Vc＝0、Va-Vc＝0对空间十二面体进行划分，因此可以用它们的关系来判断给定参考电压矢量的位置。例如：参考电压矢量在a-b-c坐标系的坐标为(Va，Vb，Vc，)并且满足Va＜0、Vb＜0、Vc＜0、Va-Vb＜0、Va-Vb＜0、Vb-Vc＜0、Va-Vc＜0的条件，对照图可以看到它在V9、V10、V12所构成的空间四面体内。

为了简化判断，做如下的定义：

V_aref、V_bref、V_cref为标准化的参考电压矢量。考虑到参考电压矢量在空间十二面体分布，k1、k2、k3、k4、k5、k6要么是0，要么是1。定义：

通过计算得出，RP共有24个值，且不同的RP对应不同的空间四面体。一旦给定的参考电压矢量分布区域确定了，RP的值可以根据公式(7)求出来，用来合成它的三个基本开关电压矢量也就确定了。我们把得出的24种情况归纳在下面表格里。

RP对应的非零开关电压矢量

从上面表格发现，一旦确定了参考电压矢量的位置，就能方便地查找表格对应找出它所在四面体的基本开关电压矢量。而在α-β-γ坐标系下，则需要把开关电压矢量转化到α-β-γ坐标系后，再完成对空间所在区域的基本开关矢量的判断，这个过程相对来说更加复杂。相比之下，在a-b-c坐标系下进行开关电压矢量的判断要比在α-β-γ坐标系下简单许多。

3)开关占空比的计算

判断出参考电压矢量所在四面体的三个非零矢量以及两个零矢量后。用这五个开关矢量模拟合成给定参考电压矢量。根据安秒平衡原则，每一时刻参考电压矢量的值都等于基本开关电压矢量乘以各自所占的占空比后的和。具体求法如下式所示。

d0＝1-d1-d2-d3(11)

式中V_ref是参考电压矢量。Vd1、Vd2、Vd3则代表三个非零开关电压矢量。Vd0则是零电压矢量，可以是[1111]或者[0000]中的任一个，也可以是它们的组合。d0表示零开关矢量对应的占空比，d1、d2、d3则为固定采样周期内合成的非零矢量分别对应的占空比。这里以RP＝5的情况为例进行说明。在RP＝5时，用来合成的开关电压矢量为V2、V9、V12，(V9＝[0，0，1]，V10＝[-1，-1，0]，V12＝[-1，0，0])，根据公式(10)得：

继续整理得：

同理，当RP取不同值时，应用类似方法就求出基本开关矢量对应的占空比。它们的数值是参考电压矢量的一些简单的代数加减法组合。归纳如下表所示。

从表格可以发现：不同RP值下的非零开关矢量和在各自矢量下的占空比一目了然。而在α-β-γ坐标系下的占空比计算相比之下更加复杂，矩阵变换后V_α、V_β、V_γ的系数矩阵往往带有很多根号，是些无理数，在空间矢量调制的数字化时经常取些近似值。这严重妨碍了其数字化实现。

RP相对应的占空比

4)开关矢量的排列方式

已知基本电压矢量对应的占空比之后，接着就要确定基本开关矢量的排列顺序。由于应用不一样的零矢量以及不同的电压矢量的排列顺序，得到的功率管开关状态也不同。本文拟采用的是在一个开关周期插入一种零矢量，且开关矢量用中心对称排序方式。

这里用RP＝14为例来说明在一个周期内开关的排列方式。这时RP对应的基本电压矢量为V2、V6、V14，取插入的零矢量为[0000]，采用中心对称排列方式。它的开关排列如下图。这种排列方式可以使每相的功率管在一个控制周期内只开关一次从而减少开关损耗。与前面描述一致，这里Sa、Sb、Sc、Sf表示四桥臂拓扑中各个桥臂的开关状态。0表示上管开通，下管关断；1表示则相反。这里，Vd0、Vd1、Vd2、Vd3表示零开关矢量和三个非零开关电压矢量，d₀、d₁、d₂、d₃则为相对应的占空比。如图6所示。

图7是为了验证本发明所选择的四桥臂拓扑的可行性以及静止坐标系下的三维空间矢量调制算法正确性。应用MATLAB的仿真环境对模型进行了搭建。该主电路部分主要包括空间矢量调制算法电路、直流侧的电压电源、4个桥臂共8个IGBT大功率器件以及与之相连的支路电感电阻等元器件。

图8是本发明提出的静止坐标系下的三维空间矢量调制算法模型。根据原理，首先检测到电流信号取相反值对应到补偿的空间电压矢量。通过公式得到RP数值，再根据其值判断参考矢量所在四面体，从而确定基本合成矢量。

图9是本发明提出的参考矢量所在四面体的判断的仿真结果。如图所示，是所在四面体的仿真结果。由于一共有24个四面体，所以数值范围在1到24之间变换。

图10是本发明提出的四个桥臂的控制波形仿真图。由计算出的占空比和开关矢量的排列方式推算出各开关管的控制时间，从而产生各个桥臂的控制波形仿真结果。

图11是本发明提出的静止坐标系下的三维空间矢量调制算法下的补偿电流前后对比图，横坐标代表时间，纵坐标代表电流的幅值。在图中可以看出补偿前三相不平衡负载下的电流，由于负载不平衡且非线性，所以所测得的电流波形呈马鞍波，且三相幅值不等，有高有低。而当系统投入具有改进算法的有源电力滤波器时，三相电流呈标准正弦波，而且三相对称，幅值相等，可知电流得到了很好的补偿。

有源电力滤波器主要由指令电流运算电路、电流跟踪控制模块、驱动电路、主电路和必要的保护及辅助电路组成，其中电流跟踪控制部分，驱动电路和主电路构成补偿电流发生电路。指令电流运算电路的作用是根据有源电力滤波器的补偿目的得出需要进行补偿的电流指令信号，它的核心是实时的精确的检测出补偿对象中的谐波和无功电流分量或有功电流分量。电流跟踪控制部分是补偿电流发生电路中的第一个环节，它的作用是根据指令电流信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制主电路各个器件通断的PWM信号。驱动电路里面驱动芯片一般采用芯片m57962L,他的作用是把DSP的正负5v信号转换成+15和-10，驱动IGBT的信号。控制的结果是保证有源电力滤波器输出电流跟踪指令信号的变化。主电路的作用是直接输出实际的补偿电流。它的指令电流运算电路、电流跟踪控制电路原理见图12。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。