一種三電平并網逆變器的建模與控制方法

馮新宇，王賀磊

（黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，哈爾濱150027）

0 引言

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

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，用于中高壓設備的多電平逆變技術也飛速發展，應用也越加多樣化，同時由于其能耗低，調速效果好，在交流調速領域，成為國內外的研究熱點[3-4]。

風能和太陽能等可再生能源的巨大發現使其成為電網重要的驅動力。然而，這些新能源在發電后并不能直接并入電網，而需要中間環節，就是要逆變器將其逆變為交流才能并入電網[5-6]。并且有研究指出三電平的逆變器用于風力發電中其經濟性與效率更高、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。這些諧波將會導致發動機產生轉矩脈沖，從而增加馬達的附加損耗，并且也將導致轉矩出現周期性波動，出現電磁噪聲等危害，嚴重影響了電機的正常運行和調速性能[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備。目前的趨勢是使用功率因數可控的“綠色”電力電子轉換器，每個次諧波頻率都小于國際或國家標準所允許的范圍。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用于高壓大功率場所，還可以應用于無功補償或是有源電力濾波器等電子設備。因此，在柔性能源系統和能源使用技術中也有廣泛的應用。

1 級聯型多電平逆變器電路結構

H橋多電平逆變器的電路結構是研究多電平逆變器控制的基礎，本節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式逆變器的控制方式和調制策略的研究奠定了基礎。級聯型多電平逆變器采用的是一定數量的基本單元H橋直接串聯、并聯疊加形成的多電平逆變結構。如圖1所示。

圖1 級聯型多電平逆變器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構可以相同，也可以不同，結構相同時稱之為相同單元級聯型多電平逆變器，不同時稱之為混合單元級聯型多電平逆變器。

級聯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，即正向導通、反向導通、正向旁路工作狀態、反向旁路工作狀態。

當電路處于正向導通狀態時，其輸出電壓為E；當電路處于反向導通狀態時，其輸出電壓為-E；當電路處于正向旁路狀態時，其輸出電壓為0，但是其正向電流仍可以流通；當電路處于反向旁路狀態時，其輸出電壓也為0，但是其反向電流仍可以流通。并且當電路處于正反向旁路狀態時，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

電壓型單閉環控制的流程圖如圖2所示，圖中Ur為標準正弦波電壓信號，Uof為輸出電壓的反饋電壓波形信號，Ue為Ur與Uof經過PI調節器形成的誤差信號，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橋級聯式逆變器輸出電壓，在經過LC濾波后得到正弦波輸出電壓Uo。

圖2 電壓型單閉環控制流程圖

閉環控制的基本控制規律就是由有源串聯矯正裝置提供的控制規律加上反饋矯正裝置提供的控制規律組成的。其中有源串聯矯正裝置是由運算放大器和RC電路構成，其參數要根據需要調整，故在工業上經常采用電動單元構成的PI控制器。

（1）比例（P）控制規律。控制器增益為Kp。可以通過改動增益來對控制信號進行放大，而不改變其相位。

在串聯矯正中，如果使Kp增大，那么可以使系統開環增益增大，減小系統穩態誤差，同時系統控制精度提高，但是會降低系統穩定性。因此，設計中需要其他環節來和此環節進行互補。

（2）積分（I）控制規律。積分可調系數為Ki。采用I控制器可以提高系統的無差性，但也會降低系統的穩定性。

（3）比例—積分（PI）控制規律。相比于I控制器，PI控制器在系統中又增加了一個位于S平面左半部分的開環零點。這個增加的負零點就可以減小系統阻尼，矯正PI控制器對系統穩定性的缺點，只要積分時間常數Ti夠大，系統的穩定性能就會提高很多。

與圖2相對應的傳遞函數結構圖如圖3所示。

圖3 電壓型單閉環控制傳遞函數結構

由圖3我們可以得出該控制系統的開環傳遞函數為：

該控制系統的閉環傳遞函數為：

將PI控制器的傳遞函數帶入上式得：

由上式可知，我們只需要設置好Kp、Ti與LC的值就可以使整個系統正常運行。

3 SPWM調制策略

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對系統動態響應和電流控制精度的影響也不同，而不同的調制技術也決定了網側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制波與F倍于調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波用作控制開關管為1或為0的信號，從而使直流電能轉換為多電平交流電能。同時我們也可以發現在一個正弦波的周期內，三角載波不僅在正半周與正弦波相交產生+1與0兩種電平，而且在負半軸也會與正弦波相交產生-1與0兩種電平。

圖4 SPWM波調制原理

4 仿真結果

三相級聯式三電平逆變器是由三個單相級聯式三電平逆變器并聯疊加而成，并且加了RLC濾波器。根據圖2所示，該仿真單元分為如下幾個部分：SPWM波產生模塊（開關控制）、級聯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波產生模塊包括正弦波產生模塊、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的三個H橋的12個開關管上，實現對三相逆變電路的SPWM控制。PI控制模塊的主要功能是把輸出的電壓值經過PI調節后反饋給SPWM波產生模塊作為輸入電壓的值。

仿真各部分參數為：直流電源電壓三個為20V，三角載波頻率1kHz，調制波頻率50Hz，調制比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。仿真結果波形如圖5到圖11所示，通過以下仿真結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調節器有效地調節了輸出電壓的值，維持了系統的穩定性。所以此電壓型單閉環控制方法是成功且有效的，并且同時THD=0.78%，此方法對于電網諧波的控制也得到了有效的證明，并且比開環控制的效果更好。

圖5 開關控制波形

圖6 輸出相電壓波形

圖10 PI調節前單相電壓值波形

圖11 PI調節后單相電壓值波形

圖7 輸出線電壓波形

圖8 三相SPWM調制波波形

圖9 總諧波含量

5 結語

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計要求，在部分場所甚至可以省略濾波環節。本文分析了三相級聯式多電平并網逆變器的控制方法，文中采用了電壓環控制的方法，使用了SPWM調制策略來控制輸出電壓波形和諧波含量，仿真結果驗證了這種控制方法的可行性。