级联 型多 电平变 流器 的结构

、　
塑　墼　）　

ＣＰＳ－ＳＰＷＭ级联型多电平变流器　
在有源电力滤波器中的应用　

凌均淑　
四川机电职业技术学院．　四川攀拄花　６１　７０６４）　

１引言　
电力电子变换装置由于具冉良好的可控忡和节能嫂　
果，已得到广泛啦用．但足当其与电力系统连接时行　如　
下同题：　
（１）山于功率器件的非哉性１　作引世了泼形失真．嘲　
此．它啦丁谐谈｝Ｉ＿Ｌ流的发生源：　
ｆ　２　山十系统电压波形发生畸变，他功　社　数下降．　
因此．它叉是无功功率的发生诼．　
波形失真会引起屯力装置过热　烧损．陛　曲作占乏对通　
信干扰等故障．功牢因数下降会引起输电损耗的增　和系　
统电压的波动　因此，有必娶弩虑减小波形先真，政拧功　
率因数一以往的方法是采用交流Ｌｃ滤波器抑制，似这样　
做会圃系统阻抗而使抑制效果不稳定　．符波缸！率变化　
时．抑制能力台变差；当系统过载时，甚　会使　艘器烧　
毁　：而有糠电力滤法器能克暇１　ｃ滤波器的缺点．埔电流　
波形里的谐波成分被过滤掉．冈【ｆ『ｉ，其滤法Ｈ：能ｌ讣忧　

直流电抗嚣　
Ｌ　—＇　

负载电流　．　．　厂ｖ－　Ｉ　ｆ卅ｈ　Ｖｌ　
［　

●　・　２　ｆＶ・　
圈Ｉ　单相品　管桥式　漉　
收辅Ｈ蝈：２０ｏ５—０Ｉ　２７　

Ｉ　

越．现已得到广泛成刖　
２有源电力滤波器的基本原理　
圉ｌ为单相ｌ舄　管桥式整流电路　殴交ｌ旒输＾电感很小。　
将　忽略；直流电感为尤夯大　Ｈ交流电压　．＝Ｖ２　ｅｓｉｎｏｔ）ｇ　
托制角为ｎ　显然．枢流电路的输＾负载电流　．里除了基　

垮　

学　
一　‘
ｌ　Ｉ，＝－６Ｉ６ｌｈ（　ｔ一。）　

基波电流　
｜ｒ　

谐皱电流　
Ｉ嗣２　交流ｌＵ难电流波形　
应用　
波成分　外，还存在谐波成分如，其波形如图２所示。　
由于负载电流ｉ一是幅值为　的方波，可得基波电流为　

：
￣
耵
１．ｓｉｎ（∞￡一　）＝　。ｓ　ｓｉｎ∞￡一　ｉｎ　ｃ。ｓ∞￡　

上式中第一项为基波有功电流己，第二项为基波无功　
电流ｉ　，并可求出谐波为　

“　
，　

＿＇　ｓｉｎ（２２“）（　ｊ　

即从电网方面看，该整流电路既是消耗基波有功功率　
电流‘的负载，又是基波无功电流屯的发生源和谐波电流　
ｉ　的发生源。这些基波无功电流己和谐波电流ｉ　本来是不　
需要的，由于对电网造成不良影响，有必要设法将其除　

系　

图３有源电力滤波器的基本原理　
去。下面就谐波电流补偿进行阐述。　
图３为有源电力滤波器的基本原理。设补偿电流为ｉ　，　
设法使其大小和相位与谐波电流ｉ　相等，然后将其并联到　
谐波发生源的整流电路上，使电网侧的电流ｉ　里仅含基波　
成分　从而实现谐波补偿。谐波发生源不局限于单相桥　
式整流电路，因为这种电路谐波成分是可预测的。对于谐　
波成分随机变化的情况也应能从负载电流ｉ．中去除基波电　
流　，取出谐波电流　，然后产生补偿电流ｉ　，以抵消谐波　
电流ｉ　，实现谐波电流补偿。这种产生补偿电流ｉ　的装置　
就是有源电力滤波器。　
随着电力电子器件的高速化、高性能化及ＰＷＭ控制　
技术的发展，利用半导体电力变换装置实现大容量、低损　
耗的谐波补偿装置已成现实。有源电力滤波器有各种方　
案，其综合性能与检测器及变换器有关。其中，①检测器　
用于从失真的电流波形ｉ　中获得所需要的补偿电流‘的指　
令值ｉ　；（　变换器根据指令值ｉ　产生补偿电流ｉ　ｌ１］。　
３关于ＣＰＳ—ＳＰＷＭ级联型多电平变流器　
级联型变流器的结构如图４所示（以一相为例）。　
基于载波相移（ＣＰＳ—ＳＰＷＭ）级联型多电平变流器实　
质是载波相移（ＣＰＳ—ＳＰＷＭ）技术的调制方式和级联型变　
流器的拓扑结构的有机结合。其调制方法如图５所示。单　
相全桥模块如图５（ａ）所示，频率为　周期为　的三角波　

图４　级联型多电平变流器的结构　
Ｔ　－（ｊ）与频率为　的调制波的交点作为开关ＳＷ１、ＳＷ４　
的开关点，而且ＳＷＩ、ＳＷ４的门极信号互补如图５（ｂ）、　
（ｃ）所示，三角波Ｔｒ２（ｊ）与Ｔ　０）幅值相等，相位相反，　
Ｔｒ２　Ｏ）与调制波的交点作为开关ＳＷ２、ＳＷ３的开关点，如　
图５（ｄ）、（ｅ）所示。　

ｓｗｌ　ｓｗ２　

ｇ１　
ｇ４　
ｇ２　
ｇ３　

ｓｗ４　
Ｔ　

Ｅ（ａ）　

图５　单相全桥模块的控制信号产生　
（ｂ）　
（Ｃ）　

（ｄ）　
（ｅ）　

［　［　［　
技术　
ＣＰＳ－ＳＰＷＭ技术是ＳＰＷＭ技术在多重化变流器和多电　
平变流器上的扩展应用，基本原理是各变流器模块均采用　
低开关频率的ＳＰＷＭ，并具有相同的频率调制比、幅度调　
制比和共同的正弦调制信号，而各变流器模块的三角载波　的相位角依次相差一定的角度。由于各三角载波的相位错　开，因此变流器的总输出（也就是各变流器模块输出波形　的线性叠加）就是一个阶梯波；适当选择各模块问相位错　开的角度，就能达到大幅度消除谐波的效果。具体地，对　于图４所示的级联型变流器，采用ＣＰｓ—ＳＰＷＭ技术的方法　如下所述。每个模块均采用ＣＰＳ－ＳＰＷＭ控制，并且Ⅳ个模　块采用相同的正弦调制波。取频率调制比为　，则三角载　波的周期为　＝　／Ｋ　，其中　为正弦调制波的周期。Ⅳ个　图６　四个模块的控制逻辑（半周期移相方式的控制原理）　单相全桥模块采用相同的调制波，三角载波．ｒｒ・（１）、．ｒｒ一（２）、　Ｔ　，（３）…Ｔ　，（Ｎ）的相位依次相差ｚ．／（２／ｖ），本文称之为“半　周期移相”，以Ⅳ等于４为例如图６（ａ）所示。各模块输出　如图６（ｂ）所示，每个模块的输出都是两个三角波与调制　波相交产生的ＰＷＭ信号的叠加，是三逻辑信号。叠加后输　出如图６（ｃ、所示　。由三个单相级联型变流器，通过Ｙ　型或△型连接，可方便地构成三相级联型变流器。　因此，采用半周期移相方式的Ⅳ模块级联型变流器输　出信号电压提高了Ⅳ倍，并呈线性放大；等效开关频率则　提高了２Ｎ倍。　４在电力有源滤波中的应用　电力有源滤波是解决电力电子装置和电网谐波污染问　题的一种方式。随着人们对电能质量要求的不断提高，电　力有源滤波器的应用也越来越多。本文通过仿真研究了基　于级联型多电平变流器的有源电力滤波系统，其特点是：　在较低的器件开关频率下，系统的等效开关频率高，整个　变流器的传输带宽大大提高。由于不需要直流侧提供有功　功率，因而在直流侧只需采用无源储能元件如电容器即　
可，克服了级联型多电平变流器在某些场合需要独立直流　

图７　由级联型变流器构成的并联型有源电力滤波器　
电源的缺点。基于ＣＰＳ—ＳＰＷＭ的级联型变流器模块的直流　
侧有独立的电容储能，因此容易实现直流侧电压均衡。调　
制上，采用半周期移相技术，装置的等效开关频率提高８　
倍，交流侧电感可以大大降低，不仅降低了装置的体积和　
成本，而且有助于改善有源电力滤波器系统的动态响应。　
另外，通过提高等效开关频率可以增加整个变流器的传输　

图８系统仿真框图　
带宽，增加有源电力滤波器对高次谐波的补偿能力。由于　
采用级联型变流器的结构，有源电力滤波器可以直接与电　
网并联。仿真系统如图７所示。　
为验证图７所示的系统，我们建立了由４单元构成的　
仿真系统，如图８所示。各个模块的频率调制比为１２，器　
件开关频率为６００Ｈｚ，非线性负载的最高谐波电流为ｌ７　
次。在如此低的工作频率下，有源滤波器能较好地补偿高　
次谐波电流，系统的工作波形如图９所示。　
应用　
（ａ）电网电压波形（纵坐标为电压Ｖ）　
（１２）有源滤波器输出电流（纵坐标为电流Ａ）　（ｂ）非线性负载电流（纵坐标为电流Ａ）　（ｄ）补偿后电网电流（纵坐标为电流Ａ）　
（ｅ）模块直流侧电流（纵坐标为电流Ａ）　
图９有源电力滤波器工作波形　

５结论　
本文提出的ＣＰＳ—ＳＰＷＭ级联型变流器，实质上是　
ＣＰＳ—ＳＰＷＭ技术的调制方式和级联型变流器结构的有机结　
合。通过上面的仿真分析，基于级联型多电平变流器的有　
源电力滤波器系统在低开关频率的条件下，能够有效地补　
偿电网中的无功和谐波电流，同时具有以下优点：在器件　
工作频率较低的同时，提高了系统的等效开关频率，增加　
了整个变流器的传输带宽，提高了有源电力滤波器对高次　
谐波的补偿能力。解决了传统开关角控制变流器存在的问　
题，输入输出之间传输频带宽，传输特性好，能够引入一　
些优秀的控制方法。等效开关频率的提高还可以降低交流　
侧电感的取值。由于采用了直流侧相互独立的结构，直流　

侧均压反馈容易实现；同时也避免了变压器的使用，使得　
有源电力滤波器系统可以直接与电网并联。这种变流器在　
电力有源滤波器这样的大功率场合具有广泛的应用前景。　
参考文献：　
［１］陈国呈．新型电力电子变换技术［Ｍ］．北京：中国电力出版　
社．２００４．　
［２］钟炎平，沈颂华．基于ＤＳＰ的全数字化ＰＷＭ整流器［Ｊ］，　
电气自动化，２００４，５、　

作者简介：凌均淑，女，１９６９年生，四川岳池人，大学本科，讲　
师。研究领域：电气、电子的教学及其研究。已发表论文４篇。　
（编辑：梁　玉）