馮新宇，王賀磊

（黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱150027）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的電能變換裝置被應(yīng)用到人類生活中的各個領(lǐng)域，人們對電能質(zhì)量的要求也在飛速提高，電力電子技術(shù)正在向著高精度、高效率、高質(zhì)量的方向發(fā)展[1-2]。因此相比較于傳統(tǒng)的兩電平逆變器，多電平逆變器以其輸出電壓含有的諧波量較少，可以應(yīng)用于較高電壓的優(yōu)勢在大功率變換裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。

電力電子器件在高壓大功率，集成與模塊化等方面的水平不斷提高，用于中高壓設(shè)備的多電平逆變技術(shù)也飛速發(fā)展，應(yīng)用也越加多樣化，同時由于其能耗低，調(diào)速效果好，在交流調(diào)速領(lǐng)域，成為國內(nèi)外的研究熱點[3-4]。

風(fēng)能和太陽能等可再生能源的巨大發(fā)現(xiàn)使其成為電網(wǎng)重要的驅(qū)動力。然而，這些新能源在發(fā)電后并不能直接并入電網(wǎng)，而需要中間環(huán)節(jié)，就是要逆變器將其逆變?yōu)榻涣鞑拍懿⑷腚娋W(wǎng)[5-6]。并且有研究指出三電平的逆變器用于風(fēng)力發(fā)電中其經(jīng)濟性與效率更高、波形也更加平滑。

電力電子變換器的電壓和電流輸出除了基波外，還包含許多其他次的諧波分量。這些諧波將會導(dǎo)致發(fā)動機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈沖，從而增加馬達的附加損耗，并且也將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)周期性波動，出現(xiàn)電磁噪聲等危害，嚴重影響了電機的正常運行和調(diào)速性能[7-11]。隨著電力電子變換器更加深入人們的生活中，人們愈加重視電網(wǎng)諧波和無功電流的危害。過去解決這個問題常常使用的方法是在電路后增加有源濾波器和無功功率補償設(shè)備。目前的趨勢是使用功率因數(shù)可控的“綠色”電力電子轉(zhuǎn)換器，每個次諧波頻率都小于國際或國家標(biāo)準(zhǔn)所允許的范圍。而多電平逆變器可以更好地解決上述問題。例如：三電平逆變器不僅可應(yīng)用于高壓大功率場所，還可以應(yīng)用于無功補償或是有源電力濾波器等電子設(shè)備。因此，在柔性能源系統(tǒng)和能源使用技術(shù)中也有廣泛的應(yīng)用。

1 級聯(lián)型多電平逆變器電路結(jié)構(gòu)

H橋多電平逆變器的電路結(jié)構(gòu)是研究多電平逆變器控制的基礎(chǔ)，本節(jié)詳細分析了單相多電平逆變器的工作原理以及電路工作模式，對電壓型H橋多電平級聯(lián)式逆變器工作方式有一個物理上的認識。為后面的三電平級聯(lián)式逆變器的控制方式和調(diào)制策略的研究奠定了基礎(chǔ)。級聯(lián)型多電平逆變器采用的是一定數(shù)量的基本單元H橋直接串聯(lián)、并聯(lián)疊加形成的多電平逆變結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

圖1 級聯(lián)型多電平逆變器3H橋式電路

因為電路每一個逆變單元都會輸出方波或階梯波，所以級聯(lián)型多電平逆變電路通過對輸出波形進行疊加合成，形成更多電平的階梯波，以逼近逆變器的正弦輸出電壓。其中每個基本逆變單元結(jié)構(gòu)可以相同，也可以不同，結(jié)構(gòu)相同時稱之為相同單元級聯(lián)型多電平逆變器，不同時稱之為混合單元級聯(lián)型多電平逆變器。

級聯(lián)式多電平逆變器的一個重要特點是每一個3H橋的功率基本單元必須具有四種工作狀態(tài)，即正向?qū)ā⒎聪驅(qū)?、正向旁路工作狀態(tài)、反向旁路工作狀態(tài)。

當(dāng)電路處于正向?qū)顟B(tài)時，其輸出電壓為E；當(dāng)電路處于反向?qū)顟B(tài)時，其輸出電壓為-E；當(dāng)電路處于正向旁路狀態(tài)時，其輸出電壓為0，但是其正向電流仍可以流通；當(dāng)電路處于反向旁路狀態(tài)時，其輸出電壓也為0，但是其反向電流仍可以流通。并且當(dāng)電路處于正反向旁路狀態(tài)時，即使V1上的電壓不是E，它上面的電流仍能流通。這樣就保證了級聯(lián)式多電平逆變器電流在任意電平時都能流通，提高了電路的可靠性，也使其控制電路簡化，控制難度降低。

2 控制原理

電壓型單閉環(huán)控制的流程圖如圖2所示，圖中Ur為標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓信號，Uof為輸出電壓的反饋電壓波形信號，Ue為Ur與Uof經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器形成的誤差信號，Vcc為輸入多電平逆變器的直流電源電壓，D為脈沖占空比，是由Ue與三角載波Uc通過SPWM控制后得出的。UAB為多電平H橋級聯(lián)式逆變器輸出電壓，在經(jīng)過LC濾波后得到正弦波輸出電壓Uo。

圖2 電壓型單閉環(huán)控制流程圖

閉環(huán)控制的基本控制規(guī)律就是由有源串聯(lián)矯正裝置提供的控制規(guī)律加上反饋矯正裝置提供的控制規(guī)律組成的。其中有源串聯(lián)矯正裝置是由運算放大器和RC電路構(gòu)成，其參數(shù)要根據(jù)需要調(diào)整，故在工業(yè)上經(jīng)常采用電動單元構(gòu)成的PI控制器。

（1）比例（P）控制規(guī)律?？刂破髟鲆鏋镵p?？梢酝ㄟ^改動增益來對控制信號進行放大，而不改變其相位。

在串聯(lián)矯正中，如果使Kp增大，那么可以使系統(tǒng)開環(huán)增益增大，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，同時系統(tǒng)控制精度提高，但是會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，設(shè)計中需要其他環(huán)節(jié)來和此環(huán)節(jié)進行互補。

（2）積分（I）控制規(guī)律。積分可調(diào)系數(shù)為Ki。采用I控制器可以提高系統(tǒng)的無差性，但也會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）比例—積分（PI）控制規(guī)律。相比于I控制器，PI控制器在系統(tǒng)中又增加了一個位于S平面左半部分的開環(huán)零點。這個增加的負零點就可以減小系統(tǒng)阻尼，矯正PI控制器對系統(tǒng)穩(wěn)定性的缺點，只要積分時間常數(shù)Ti夠大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能就會提高很多。

與圖2相對應(yīng)的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 電壓型單閉環(huán)控制傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)

由圖3我們可以得出該控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

該控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

將PI控制器的傳遞函數(shù)帶入上式得：

由上式可知，我們只需要設(shè)置好Kp、Ti與LC的值就可以使整個系統(tǒng)正常運行。

3 SPWM調(diào)制策略

多電平逆變器的控制策略主要是考慮降低輸出電流中含有的諧波份量，改善逆變器的輸出性能。對于三電平逆變器來說輸出電流波形的正弦波紋波小，而電壓波形畸變較大，故我們一般采用電流控制策略。不同的電流控制技術(shù)對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)和電流控制精度的影響也不同，而不同的調(diào)制技術(shù)也決定了網(wǎng)側(cè)電流諧波含量的多少。首先要生成SPWM波，即用給定的理想正弦波信號的調(diào)制波與F倍于調(diào)制波頻率的三角載波相比較，得出寬度正比于正弦波的矩形波即SPWM波，其工作原理如圖4所示。之后把SPWM波用作控制開關(guān)管為1或為0的信號，從而使直流電能轉(zhuǎn)換為多電平交流電能。同時我們也可以發(fā)現(xiàn)在一個正弦波的周期內(nèi)，三角載波不僅在正半周與正弦波相交產(chǎn)生+1與0兩種電平，而且在負半軸也會與正弦波相交產(chǎn)生-1與0兩種電平。

圖4 SPWM波調(diào)制原理

4 仿真結(jié)果

三相級聯(lián)式三電平逆變器是由三個單相級聯(lián)式三電平逆變器并聯(lián)疊加而成，并且加了RLC濾波器。根據(jù)圖2所示，該仿真單元分為如下幾個部分：SPWM波產(chǎn)生模塊（開關(guān)控制）、級聯(lián)H橋逆變器模塊、直流電源模塊、簡單濾波模塊以及PI控制模塊。

SPWM波產(chǎn)生模塊包括正弦波產(chǎn)生模塊、三相分散模塊，與三角載波比較模塊。比較后得出的波形分別作用于三相級聯(lián)的三個H橋的12個開關(guān)管上，實現(xiàn)對三相逆變電路的SPWM控制。PI控制模塊的主要功能是把輸出的電壓值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后反饋給SPWM波產(chǎn)生模塊作為輸入電壓的值。

仿真各部分參數(shù)為：直流電源電壓三個為20V，三角載波頻率1kHz，調(diào)制波頻率50Hz，調(diào)制比0.6，濾波器中電感L=50mH，電容C=0.56mF，負載電阻R=10Ω，KP=0.2，KI=40。仿真結(jié)果波形如圖5到圖11所示，通過以下仿真結(jié)果我們可以得知輸出相電壓幅值為4V左右，線電壓為7V左右，調(diào)制波幅值為12V左右，滿足上述條件。通過圖10與圖11對比我們也可以看出，PI調(diào)節(jié)器有效地調(diào)節(jié)了輸出電壓的值，維持了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以此電壓型單閉環(huán)控制方法是成功且有效的，并且同時THD=0.78%，此方法對于電網(wǎng)諧波的控制也得到了有效的證明，并且比開環(huán)控制的效果更好。

圖5 開關(guān)控制波形

圖6 輸出相電壓波形

圖10 PI調(diào)節(jié)前單相電壓值波形

圖11 PI調(diào)節(jié)后單相電壓值波形

圖7 輸出線電壓波形

圖8 三相SPWM調(diào)制波波形

圖9 總諧波含量

5 結(jié)語

多電平逆變器可以在很多場合，如高壓大功率場所取代兩電平逆變器，并且有效地減少了諧波含量，即是降低了濾波器的設(shè)計要求，在部分場所甚至可以省略濾波環(huán)節(jié)。本文分析了三相級聯(lián)式多電平并網(wǎng)逆變器的控制方法，文中采用了電壓環(huán)控制的方法，使用了SPWM調(diào)制策略來控制輸出電壓波形和諧波含量，仿真結(jié)果驗證了這種控制方法的可行性。