级联多电平逆变器在有源电力滤波器中的应用研究

级联多电平逆变器在有源电力滤波器中的应用研究 郭秀洪朱凌王毅 华北电力大学，河北保定市，０７１００３

摘要：为提高功率变换装置的电压和功率等级，多电平技术是一重要解决途径。本文将Ｈ桥级联型变流器应用于并联有源电力滤波器，分析给出了相应的数学模型，并墓于瞬时无功功率理论在谐波和无功电流的提取方面进行了改进．其ＰＷＭ控制方法仍采用传统的三角波调制，并通过仿真得到了验证。关键词：级联多电平逆变器：有源电力滤波器； 脉宽调制１．引言 要实现大容量的谐波补偿或实现有源电力滤波器（Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒ简称ＡＰＦ）补偿功能的多样性，需要ＡＰＦ具有较大的装里容量。对于大容量的电力电子装置，如果简单采用普通的主电路拓扑，就要求所使用的电力电子器件在容量方面具有较高的要求。众所周知，电力电子器件随着容量的增大其所容许的开关频率却越来越低，而较低的开关频率又直接影响有源电力滤波器的补偿效果，所以在将有源电力滤波器用于大容盆谐波补偿时，器件的开关频率与容量之间的矛盾尤为突出。 为解决此矛盾，国内外学者在主电路的拓扑结构上进行着积极的研究。１９８年的ＰＥＳＣ年会上，Ｍ．　Ｆ．　Ｍａｒｃｈｅｓｏｎｉ等人提出了Ｈ桥级联的多电平逆变电路，该电路因结构和控制方法均易于向更多电平数扩展，已成为目前倍受关注的多电平电路形式。当今在无功补偿领域，Ｈ桥级联型逆变器得到了广泛的应用，容盆已达到了兆乏等级。若将此种电路拓扑应用于有源电力滤波器，可显著提高其对高压大容量非线性负荷的谐波补偿能力，具有十分）‘一阔的应用前景。 本文通过对Ｈ桥级联型变流器进行分析，将其应用于并联型有源电力滤波器（ＣＳＡＰＦ）．重点给出了墓于三相瞬时无功功率理论的参考电流的获取方法，在ＰＷＭ控制上仍采用三角波的调制方法，对二电平主电路结构的补偿效果进行了Ｍａｔｌａｂ仿真，仿真结果验证了所给方案的可行性。２．基本原理 ２．１三电平Ｈ桥的数学模型 三电平Ｈ桥结构如图１所示，是由两个两电平桥臂并联而成，通过左、右桥肴的四种不同的开关组合可以产生１１　０，一三种输出电平。其中Ｕｄ，ｉｄ分别为直流侧电压和电流，ＵＨｒ ｉ１１分别为Ｈ桥单元输出电压和电流．因为左、右桥臂的上、下开关状态互补，所以可用开关变量ＳＩ．　Ｓ３来表征各个量的对应关系，如表１所示，１表示开通，０表示关断。

图１三电平Ｈ桥逆变单元结构表１对应关系Ｓ，凡ＵＨ ｉｄｎ ｎ ０ ０相拍－Ｕｄ

Ｕｄ，工

ｎ户

１ １ ０ ０

所以单元输出电压和直流侧电流为

‘＝　（Ｓ，一Ｓ３　）Ｕｄ（１）

ｔｄ　＝　（ＳＩ一Ｓ３）＇󰀀 （２） ２．２级联型并联有派撼波器（ＣＳＡＰＦ）的数学棋型 级联型有源电力滤波器的电路拓扑结构如图２所示，每相由Ｎ个Ｈ桥单元级联而成，可以看出，它与传统的单个ＰＷＭ变流器的区别在于：三相相对独立，各相的直流电容相对独立，且没有二极管整流桥对其电压进行限制，相当于传统的三相逆变电路的解辐结构。基于上面的分析，各相的微分方程为：

非．性负吸之＜＜

（ｄｉ󰀀／试）＝　ｅ，一（Ｓ．Ｕｄ，十Ｕｘｏ）

（成ｂ／试）＝　ｅ．一（凡呱十Ｕ１１０）（ｄｉｔ　／ｄ，）　＝　ｅ一（（Ｓ，Ｕ＆　＋ＵＮＯ）（６）

ＬＬＬ

比ｒｌｌｌ，、ｅｓｅｓ

ｔ

ＩＮ０

ＤＩＥ

图２级联型有源电力滤波器电路拓扑结构 图２中ｅ，， ｅｂ－　ｅｃ为三相电网电压，ｉ．＂　ｉｃｂ，　ｌｃｃ为ＣＳＡＰＦ的补偿电流，Ｌ为ＣＳＡＰＦ电抗器的电感，则回路Ａ－Ｄ－Ｎ－Ｅ－Ｂ．　Ｂ－Ｅ－Ｎ－Ｆ一及Ｃ－Ｆ－Ｎ－Ｄ－Ａ的电压方程为Ｌ（ｄｉｍ　／ｄ１）十“ＤＮ一“ＥＮ　－Ｌ（ｄｉ　ｂ　／ｄｔ）＝ｅ　－ｅ，Ｌ（ｄｉ，　／ｄｔ）＋ｕ。－ｕ，一Ｌ（ｄｉ．／ｄｔ）＝ｅ，－ｅ　（３）Ｌ（ｄｉ，　／ｄｔ）＋ｕ，，，一ｕ，，　－Ｌ（ｄｉ｝　／　ｄｔ）　＝　ｅ　－ｅ， 设级联型逆变桥每个独立的Ｈ桥中直流电容电压为Ｕ＆，引入开关函数Ｓ󰀀　Ｓｂ及又分别表示各相可关断器件的开关状态总和，如对于．相，假设有二个级联单元，在某种工作状态下，第一个级联单元输出电压为Ｕ＆，则设Ｓ󰀀＝１，第二个和第三个输出电压为０，则设Ｓ．２式３Ｓ　，综合三个单元：Ｓａ－Ｓｍ＋Ｓ．ａ＋￥，，ａ＝１，而Ｓ相逆变桥的物出电压。ＤＮ＇Ｓ．Ｕ＆其它的依次类推，得：

ＵＤＮ　＝Ｓ．ＵｄｃＵＥＩ，＝Ｓ，Ｕ＆“，”Ｓ，Ｕ＆（４）

假设系统对称，则可简化成单相电路进行分析，其等效电路如图３所示。犷色ｅ＿＿＿＿ｉ．拍￣２一ＮＳＵ＆ 图３单相等效电路由图３可得： Ｌ（ｄｉ，／ｄ，）＝ｅ一（ＳＵＢ　＋ＵＮＯ） （５）其中ＵＮ，。为直流侧公共点相对于电源中性点的电在三相三线制系统中，三相平衡时有 ｉ．十ｉ，　＋　ｔｏ　＝　０ （７） 气十气十ｅ．　＝　０ （８）联立式（５），　（６），　（７），　（８）可得： ＵＮｏ＝－Ｕ，／３（凡＋凡＋Ｓ｝） （９）将式（９）代入式（（４），取Ａ相分析，得到Ｌ（ｄ；＿　／　ｄｔ）　＝　ｅ，一Ｕｄｃ（Ｓ．一，／３艺Ｓ，） （１０） ｉ－（ａ户，ｃ）以上分析可以大致确定各相级联电容和出线电感的取值范围。３．参考电流的提取方法 目前对于三相有源电力浦波器的谐波检测普遍采用的还是蓦于瞬时无功理论的枪测方法，因此本文仍采用这种方法；另外，ＡＰＦ要有效地对系统谐波电流进行补偿，按照ＰＷＭ控制规律，逆变器的直流侧电容电压必须保持恒定，以提供一个电压基准．要实现直流电压的恒定，目前常用的是从系统中吸取一定的有功功率，即ＡＰＦ的补偿电流中包含一定的有功分ｆ，使ＡＰＦ的直流侧与交流侧交换能ｔ，将直流电压调节至给定值。在非级联三相逆变桥中，只需控制单只电容的电压稳定，而在级联型逆变电路中，每一相中都有Ｎ个电容器，所以对电容电压的秘定控制将比较复杂．本文在研究中将每相所有级联单元作为一个整体，直流侧等效成一个电容加以考虑． 在文献［１］中，对电容电压的调节是将可检测到直流电压与给定电压的偏差，经Ｐｉ控制运算得到补偿直流电压的有功分量盛加到瞬时有功电流的

直流分童上（如图４所示中的亏）．在ＣＳＡＰＦ主电

路中，有三个等效电容电压需要控制，若采用上述方法比较困难，所以本文进行一定的改进，不是直

接亚加在不上，而是尝试将各个电容的Ｐｉ调节量通

过正弦移相分别且加到检测得到的各相谐波和无功分量上，这与单个逆变桥的控制是等效的。 Ｌ山刁二二衷

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ｔ争 ｅｔ１ ＰＩ－左桥竹ＰＷＭ信号

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ｔ．０－丰－ＭＬ，右桥仲ＰＷＭ信号１１，＿一、．－、、ｄ三角也

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图４参考电流的获取 图４给出了参考电流的提取过程，其中ＬＰＦ代表低通滤波器，三个ＰＩ调节器用以控制三相级联逆变桥的直流电容电压，使其等于参考电压值。所选电网的基波频率由．相电压经锁相环获得．将每个ＰＩ调节器的输出分别与正弦移相所得结果相乘，即得到三相有功电流的参考值。谐波和无功电流的提取过程是将待补偿的三相负荷电流变换到两相静止坐标系中，经过低通滤波得到基波电流的有功和无功分量，再将基波电流有功分量反变换至ａ七－ｃ坐标系，就得到三相输入电流ｉ．，　ｉｂ，　ｉｓ的基波有功分量ｆａｆ，　ｆｂｆ＂　ｉｃｆ＋二者之差即为谐波和无功指令电流，将其与三相有功电流参考值相加，即得到有源滤波器的指令电流。 图５三角波调制方式原理图５．　ＣＳＡＰＦ的仿真实现 为验证上述理论分析的正确性，利用Ｍａｔｌａｂ动态仿真软件Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立了仿真模型。系统电源采用三相对称正弦电压源，线电压为３８０Ｖ。逆变器的开关器件采用ＩＧＢＴ。负载谐波源选取典型的三相晶闸管整流桥，其换相电感Ｌ．＝Ｌｂ＝Ｌｃ　０．１５ｎｄ－Ｉ。负载参数取为Ｌ＝１００ｍＨ，　Ｒ＝１０１１。三角载波的频率为８ｋＨＺ。多电平逆变电路采用三电平Ｈ桥单元结构。 根据ＧＢ／Ｔ　１４５４９－１９９３《电能质量公用电网谐波》国家标准，电流总谐波畸变率ＴＨＤ；可以采用下式计算：

ＴＨＤ，＝（今／几）ｘ１００％（１１）

４．　ＰＷＭ波形的调制 电流跟踪控制的目的是实时跟随其指令电流信号的变化，所以要求补偿电流发生器具有很好的实时性。目前常采用跟踪型的ＰＷＭ控制方式，其具体调制方式又有多种，对于每一个Ｈ桥单元含有四个可关断器件，必须提供四个ＰＷＭ信号，而滞环比较方式只能提供两个信号，所以本论文仍采用传统的三角波调制方法。图５为一个三电平Ｈ桥单元的三角波调制方式的原理图，其中三角波１和三角波２反相。在图中，将ｉｃ’与ｉ，的偏差ｅｉｃ通过ＰＩ调节后分别与两个频率相同、相位相反的三角载波进行比较，作为ｘ桥左右桥臂的ＰＷＭ控制信号。

其中补偿电“、一Ｆ　２Ｉｋｋ－２ 图６给出晶闸管整流桥在触发角ａ＝Ｏ０时有源电力滤波器的补偿倩况，并取五个周波进行ＦＦＴ分析。计算表明，补偿前ＴＨＤ月７．４６３９％，补偿后ＴＨＤ；　＝６．６６３０％，效果十分明显，如果在出口处加设高通滤波器来滤除有源电力滤波器所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波，则补偿效果会更好。图７给出了电容电压建立过程，在进行电容电压的稳定控制时，应先给电容预充电，然后再通过有源滤波器交直流侧间的能且交换．最终达到其稳定值．由图，可以看出三相电容电压的上升率相当，表明系统的三相补偿结果是对称的。图８为有源滩波器主电路ａ相电压输出波形，由于三角波调制的波形是实际电流和参考电流的偏差Ａｔ，没有规律，所以实际输出的仿真波形比较混乱