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摘要：本文研究的回馈式级联型逆变器前级采用四开关PWM整流器，后级采用H桥逆变器。针对前级三相四开关PWM整流器，采用无差拍控制方法，该方法可以实现系统的快速、无差的整流。针对后级H桥逆变器，采用载波移相调制技术改善输出电压电流的电能质量。仿真和实验结果验证了所提控制策略的正确性。
关键词：级联型逆变器；三相四开关；无差拍；载波移相调制
1、引言
传统的H桥级联型逆变器输入级采用二极管不可控整流，其具有非线性特征，会降低系统的功率因数，产生大量谐波电流，且不具备能量回馈功能，无法应用于轧钢机、矿井提升机、电梯需要四象限运行的负载。为实现H桥级联型逆变器四象限运行，国内外学者对回馈式级联型逆变器的拓扑结构和控制方法进行了研究。本文研究了一种基于三相四开关整流器的回馈式级联型逆变器，介绍了基于三相四开关整流器级联型逆变器拓扑，分析了三相四开关整流器数学模型。针对前级PWM整流器，采用了无差拍控制，实现了PWM整流器高功率因数输入和直流侧电压的稳定。为了实现低开关频率下较高的等效开关频率，降低输出电压的谐波含量，对后级的H桥逆变器采用载波移相调制技术。最后，仿真和实验结果证明了本文所提控制策略的正确性。
2、三相四开关回馈级联多电平逆变器拓扑结构和数学模型
级联型多电平逆变器由多个低压功率单元串联实现高压输出，输入侧整流器通过变压器并联，输出端级联实现高电压等级的输出。回馈式级联型多电平逆变器功率单元的结构分为两部分，即前级电压型PWM整流器，后级H桥逆变器。典型的回馈式级联多电平逆变器功率单元结构，前级采用三相六开关整流器，后级采用H桥级联。为了实现六开关整流器故障重构后系統能够稳定高效的运行，同时降低损耗和系统成本，本文研究了基于三相四开关整流器的回馈级联型多电平逆变器。其功率单元拓扑结构如图1所示。
图1中，usa，usb，usc为电网三相电压；L为滤波电感；isa，isb，isc为三相交流输入电流；C1，C2为直流侧电容。c相直接连接到两电容的中点。为了便于分析，假设直流侧电容电压无脉动，uc1= uc2=udc/2，定义开关函数Sa，Sb。其中Sa，Sb为1表示a、b相上桥臂导通，下桥臂关断；Sa，Sb为0表示a、b相下桥臂导通，上桥臂关断。则有：
从式（1）中可以看出，通过调节4个功率开关管的状态就可以控制uao，ubo输出，根据基尔霍夫电压定律，可以得到三相四开关PWM整流器的数学模型，并将其变换以得到三相四开关整流器的传递函数为：
3、三相四开关PWM整流器控制策略
本文研究的回馈式级联多电平逆变器，每个功率单元的输入侧PWM整流器控制相对独立，控制是目标是维持直流侧电压的稳定和单位功率因数的输入。本文在采用无差拍控制对补偿电流实现无差控制。
3.1参考指令电流的计算
考虑到开关管的有功损耗，为了维持直流侧的稳定，采用直流侧外环PI调节稳定直流侧。
式中，Idc为电压外环PI的输出，kp1，kI1分别为直流侧外环比例和积分系数。△udc为电压跟踪误差。将Idc与各相的同步信号相乘，得到弥补开关管损耗的调压指令信号。在将调压指令信号与负载前馈指令信号叠加，得到a，b，c三相的参考电流：
无差拍控制的对给定指令信号响应速度较快，易于数字实现。上节中所提到的三相四开关PWM整流器的数学模型进行离散化后，将到a，b，c三相的k时刻参考电流经过变换得到：
最后，利用平推算法将用来预测得到无差拍的控制框图如图2所示。
3.2直流侧电容均压
直流侧由两个电容串联而成，需要考虑电容的存在均压平衡问题，尤其在电网环境的变化和控制误差的存在会影响电容电压的稳定，不利于装置长期稳定的运行，因此采用了一种电容均压控制方法。将两电容电压的差值（uc1-uc2），通过P控制器得到均压调制信号dx。将均压调制信号与经过内置重复控制器无差拍控制后a，b两相的调制信号叠加，最后得到总的调制信号，进行PWM脉宽调制。
4、回馈级联型逆变部分调制策略
目前应用多电平逆变器调制策略有：消除特定次谐波调制，空间矢量PWM调制，载波移相脉宽调制等调制策略。消除特定次谐波需要求解非线性超越方程，计算复杂，动态性能差。空间矢量PWM调制在电平数增加时基本矢量和冗余开关的状态选择变得复杂，不易拓展到电平。载波移相脉宽调制技术是多电平最常用的调制技术，该技术能够在较低的开关频率下实现高等效的开关频率，降低开关的纹波电流，具有良好的谐波特性。为了实现每个H桥三电平的输出，用相位相差的调制波与同一个载波进行比较生成两组PWM信号，分别驱动左右桥臂上管，将生成的两组PWM信号驱动取反后驱动左右桥臂的下管。为了实现H桥逆变器的多电平输出，不同H桥单元调制所需的载波错开一定的角度，其错开的移相角为：，其中N为每相功率单元的个数。在上述所述的调制方法下，整个逆变器输出的电平为2N+1，等效的载波频率为载波频率的N倍。
5、仿真和实验验证
5.1仿真验证
为了验证本文控制策略的正确性，搭建了单相回馈式级联多电平仿真模型，功率单元采用图1所示的结构。变压器电压比为6/0.6kV，PWM整流器的交流输入线电压幅值为600V，交流侧电阻为0.1Ω，等效电感为1mH，两直流侧电容为20mF，PWM整流器的开关频率为10K，H桥逆变器的载波频率为2KHz，负载为阻感负载，其中电感为50mH，电阻为80Ω，输出的电压频率为50Hz，调制度为0.96，为了模拟回馈功能，在1s时刻在输出回路串联幅值为12kV的交流电源，模拟负载发电状态，仿真波形如图3所示。图3（a）可以看出无差拍控制下，直流侧能保持1500V左右，在负载发电状态下，直流侧能够稳定在给定值。图3（b）为PWM整流器输入电压和电流的波形，可以看出电压和电流同时过零，在1s时串联交流电源，此时电压和电流相差180度，能量往电网中注入。图3（c）（d）分别为H桥级联输出电压和输出电压的频谱，可以看出，系统的谐波主要集中在10kHz，其他次数的谐波含量很少，可见载波移相调制提高了系统的等效开关频率，保证了逆变器输出电压的质量。
5.2实验结果
为了进一步验证所提控制策略的正确性，搭建了低压单相实验平台。交流输入电压为220V，变压器电压比380/60V，主控制电路采用DSP芯片TMS320F2812为控制器，用FPGA和DSP实现多路驱动脉冲信号的，负载为阻感负载，其中负载电感为20mH，负载电阻为60Ω。H桥输出频率为50Hz，逆变器的载波频率为2KHz，调制比为0.96。
图4（a）（b）分别为无差拍控制下输入电压电流波形和电流频谱，图4（c）为系统输出电压的波形和频谱，电压呈现良好的正弦性，可见载波移相调制提高了系统等效开关频率，输出电压的谐波品质优异。
6、结束语
回馈式级联多电平逆变器在中高压变频领域有着广泛应用，本文对典型的回馈式级联型多电平逆变器拓扑结构进行改进，以三相四开关PWM整流器作为有源前级输入，采用了无差拍控制保证了系统高效整流的情况下，降低了开关损耗和系统成本。H桥级联型逆变器采用载波移相调制，提高了系统等效开关频率，降低了系统输出电压的谐波含量，仿真和实验证明了所提控制策略的正确性。
参考文献：
[1]刘飞，宫金武，彭光强.一种复合式重复控制在并联有源电力滤波器设计中的应用[J].电工技术学报，2012，27（12）：138-145.
[2]张凯.基于重复控制原理的CVCF-PWM逆变器波形控制技术研究[D].武汉，华中理工大学，2000：45-62.
[3]周娟，秦静，王子绩，等.内置重复控制器无差拍控制在有源电力滤波器中的应用[J].电工技术学报，2013，28（2）：138-145.
[4]范文宝，杨晓峰，王晓鹏，等.基于模块组合多电平变换器的SVG 控制策略[J].电工技术学报.2006，26（1）：29-35.
（作者单位：广东电网有限责任公司惠州供电局）
关键词：级联型逆变器；三相四开关；无差拍；载波移相调制
1、引言
传统的H桥级联型逆变器输入级采用二极管不可控整流，其具有非线性特征，会降低系统的功率因数，产生大量谐波电流，且不具备能量回馈功能，无法应用于轧钢机、矿井提升机、电梯需要四象限运行的负载。为实现H桥级联型逆变器四象限运行，国内外学者对回馈式级联型逆变器的拓扑结构和控制方法进行了研究。本文研究了一种基于三相四开关整流器的回馈式级联型逆变器，介绍了基于三相四开关整流器级联型逆变器拓扑，分析了三相四开关整流器数学模型。针对前级PWM整流器，采用了无差拍控制，实现了PWM整流器高功率因数输入和直流侧电压的稳定。为了实现低开关频率下较高的等效开关频率，降低输出电压的谐波含量，对后级的H桥逆变器采用载波移相调制技术。最后，仿真和实验结果证明了本文所提控制策略的正确性。
2、三相四开关回馈级联多电平逆变器拓扑结构和数学模型
级联型多电平逆变器由多个低压功率单元串联实现高压输出，输入侧整流器通过变压器并联，输出端级联实现高电压等级的输出。回馈式级联型多电平逆变器功率单元的结构分为两部分，即前级电压型PWM整流器，后级H桥逆变器。典型的回馈式级联多电平逆变器功率单元结构，前级采用三相六开关整流器，后级采用H桥级联。为了实现六开关整流器故障重构后系統能够稳定高效的运行，同时降低损耗和系统成本，本文研究了基于三相四开关整流器的回馈级联型多电平逆变器。其功率单元拓扑结构如图1所示。
图1中，usa，usb，usc为电网三相电压；L为滤波电感；isa，isb，isc为三相交流输入电流；C1，C2为直流侧电容。c相直接连接到两电容的中点。为了便于分析，假设直流侧电容电压无脉动，uc1= uc2=udc/2，定义开关函数Sa，Sb。其中Sa，Sb为1表示a、b相上桥臂导通，下桥臂关断；Sa，Sb为0表示a、b相下桥臂导通，上桥臂关断。则有：
从式（1）中可以看出，通过调节4个功率开关管的状态就可以控制uao，ubo输出，根据基尔霍夫电压定律，可以得到三相四开关PWM整流器的数学模型，并将其变换以得到三相四开关整流器的传递函数为：
3、三相四开关PWM整流器控制策略
本文研究的回馈式级联多电平逆变器，每个功率单元的输入侧PWM整流器控制相对独立，控制是目标是维持直流侧电压的稳定和单位功率因数的输入。本文在采用无差拍控制对补偿电流实现无差控制。
3.1参考指令电流的计算
考虑到开关管的有功损耗，为了维持直流侧的稳定，采用直流侧外环PI调节稳定直流侧。
式中，Idc为电压外环PI的输出，kp1，kI1分别为直流侧外环比例和积分系数。△udc为电压跟踪误差。将Idc与各相的同步信号相乘，得到弥补开关管损耗的调压指令信号。在将调压指令信号与负载前馈指令信号叠加，得到a，b，c三相的参考电流：
无差拍控制的对给定指令信号响应速度较快，易于数字实现。上节中所提到的三相四开关PWM整流器的数学模型进行离散化后，将到a，b，c三相的k时刻参考电流经过变换得到：
最后，利用平推算法将用来预测得到无差拍的控制框图如图2所示。
3.2直流侧电容均压
直流侧由两个电容串联而成，需要考虑电容的存在均压平衡问题，尤其在电网环境的变化和控制误差的存在会影响电容电压的稳定，不利于装置长期稳定的运行，因此采用了一种电容均压控制方法。将两电容电压的差值（uc1-uc2），通过P控制器得到均压调制信号dx。将均压调制信号与经过内置重复控制器无差拍控制后a，b两相的调制信号叠加，最后得到总的调制信号，进行PWM脉宽调制。
4、回馈级联型逆变部分调制策略
目前应用多电平逆变器调制策略有：消除特定次谐波调制，空间矢量PWM调制，载波移相脉宽调制等调制策略。消除特定次谐波需要求解非线性超越方程，计算复杂，动态性能差。空间矢量PWM调制在电平数增加时基本矢量和冗余开关的状态选择变得复杂，不易拓展到电平。载波移相脉宽调制技术是多电平最常用的调制技术，该技术能够在较低的开关频率下实现高等效的开关频率，降低开关的纹波电流，具有良好的谐波特性。为了实现每个H桥三电平的输出，用相位相差的调制波与同一个载波进行比较生成两组PWM信号，分别驱动左右桥臂上管，将生成的两组PWM信号驱动取反后驱动左右桥臂的下管。为了实现H桥逆变器的多电平输出，不同H桥单元调制所需的载波错开一定的角度，其错开的移相角为：，其中N为每相功率单元的个数。在上述所述的调制方法下，整个逆变器输出的电平为2N+1，等效的载波频率为载波频率的N倍。
5、仿真和实验验证
5.1仿真验证
为了验证本文控制策略的正确性，搭建了单相回馈式级联多电平仿真模型，功率单元采用图1所示的结构。变压器电压比为6/0.6kV，PWM整流器的交流输入线电压幅值为600V，交流侧电阻为0.1Ω，等效电感为1mH，两直流侧电容为20mF，PWM整流器的开关频率为10K，H桥逆变器的载波频率为2KHz，负载为阻感负载，其中电感为50mH，电阻为80Ω，输出的电压频率为50Hz，调制度为0.96，为了模拟回馈功能，在1s时刻在输出回路串联幅值为12kV的交流电源，模拟负载发电状态，仿真波形如图3所示。图3（a）可以看出无差拍控制下，直流侧能保持1500V左右，在负载发电状态下，直流侧能够稳定在给定值。图3（b）为PWM整流器输入电压和电流的波形，可以看出电压和电流同时过零，在1s时串联交流电源，此时电压和电流相差180度，能量往电网中注入。图3（c）（d）分别为H桥级联输出电压和输出电压的频谱，可以看出，系统的谐波主要集中在10kHz，其他次数的谐波含量很少，可见载波移相调制提高了系统的等效开关频率，保证了逆变器输出电压的质量。
5.2实验结果
为了进一步验证所提控制策略的正确性，搭建了低压单相实验平台。交流输入电压为220V，变压器电压比380/60V，主控制电路采用DSP芯片TMS320F2812为控制器，用FPGA和DSP实现多路驱动脉冲信号的，负载为阻感负载，其中负载电感为20mH，负载电阻为60Ω。H桥输出频率为50Hz，逆变器的载波频率为2KHz，调制比为0.96。
图4（a）（b）分别为无差拍控制下输入电压电流波形和电流频谱，图4（c）为系统输出电压的波形和频谱，电压呈现良好的正弦性，可见载波移相调制提高了系统等效开关频率，输出电压的谐波品质优异。
6、结束语
回馈式级联多电平逆变器在中高压变频领域有着广泛应用，本文对典型的回馈式级联型多电平逆变器拓扑结构进行改进，以三相四开关PWM整流器作为有源前级输入，采用了无差拍控制保证了系统高效整流的情况下，降低了开关损耗和系统成本。H桥级联型逆变器采用载波移相调制，提高了系统等效开关频率，降低了系统输出电压的谐波含量，仿真和实验证明了所提控制策略的正确性。
参考文献：
[1]刘飞，宫金武，彭光强.一种复合式重复控制在并联有源电力滤波器设计中的应用[J].电工技术学报，2012，27（12）：138-145.
[2]张凯.基于重复控制原理的CVCF-PWM逆变器波形控制技术研究[D].武汉，华中理工大学，2000：45-62.
[3]周娟，秦静，王子绩，等.内置重复控制器无差拍控制在有源电力滤波器中的应用[J].电工技术学报，2013，28（2）：138-145.
[4]范文宝，杨晓峰，王晓鹏，等.基于模块组合多电平变换器的SVG 控制策略[J].电工技术学报.2006，26（1）：29-35.
（作者单位：广东电网有限责任公司惠州供电局）