一种三电平并网逆变器的建模与控制方法

冯新宇，王贺磊

（黑龙江科技大学电气与控制工程学院，哈尔滨150027）

0 引言

随着电力电子技术的飞速发展，越来越多的电能变换装置被应用到人类生活中的各个领域，人们对电能质量的要求也在飞速提高，电力电子技术正在向着高精度、高效率、高质量的方向发展[1-2]。因此相比较于传统的两电平逆变器，多电平逆变器以其输出电压含有的谐波量较少，可以应用于较高电压的优势在大功率变换装置中得到了广泛的应用。

电力电子器件在高压大功率，集成与模块化等方面的水平不断提高，用于中高压设备的多电平逆变技术也飞速发展，应用也越加多样化，同时由于其能耗低，调速效果好，在交流调速领域，成为国内外的研究热点[3-4]。

风能和太阳能等可再生能源的巨大发现使其成为电网重要的驱动力。然而，这些新能源在发电后并不能直接并入电网，而需要中间环节，就是要逆变器将其逆变为交流才能并入电网[5-6]。并且有研究指出三电平的逆变器用于风力发电中其经济性与效率更高、波形也更加平滑。

电力电子变换器的电压和电流输出除了基波外，还包含许多其他次的谐波分量。这些谐波将会导致发动机产生转矩脉冲，从而增加马达的附加损耗，并且也将导致转矩出现周期性波动，出现电磁噪声等危害，严重影响了电机的正常运行和调速性能[7-11]。随着电力电子变换器更加深入人们的生活中，人们愈加重视电网谐波和无功电流的危害。过去解决这个问题常常使用的方法是在电路后增加有源滤波器和无功功率补偿设备。目前的趋势是使用功率因数可控的“绿色”电力电子转换器，每个次谐波频率都小于国际或国家标准所允许的范围。而多电平逆变器可以更好地解决上述问题。例如：三电平逆变器不仅可应用于高压大功率场所，还可以应用于无功补偿或是有源电力滤波器等电子设备。因此，在柔性能源系统和能源使用技术中也有广泛的应用。

1 级联型多电平逆变器电路结构

H桥多电平逆变器的电路结构是研究多电平逆变器控制的基础，本节详细分析了单相多电平逆变器的工作原理以及电路工作模式，对电压型H桥多电平级联式逆变器工作方式有一个物理上的认识。为后面的三电平级联式逆变器的控制方式和调制策略的研究奠定了基础。级联型多电平逆变器采用的是一定数量的基本单元H桥直接串联、并联叠加形成的多电平逆变结构。如图1所示。

图1 级联型多电平逆变器3H桥式电路

因为电路每一个逆变单元都会输出方波或阶梯波，所以级联型多电平逆变电路通过对输出波形进行叠加合成，形成更多电平的阶梯波，以逼近逆变器的正弦输出电压。其中每个基本逆变单元结构可以相同，也可以不同，结构相同时称之为相同单元级联型多电平逆变器，不同时称之为混合单元级联型多电平逆变器。

级联式多电平逆变器的一个重要特点是每一个3H桥的功率基本单元必须具有四种工作状态，即正向导通、反向导通、正向旁路工作状态、反向旁路工作状态。

当电路处于正向导通状态时，其输出电压为E；当电路处于反向导通状态时，其输出电压为-E；当电路处于正向旁路状态时，其输出电压为0，但是其正向电流仍可以流通；当电路处于反向旁路状态时，其输出电压也为0，但是其反向电流仍可以流通。并且当电路处于正反向旁路状态时，即使V1上的电压不是E，它上面的电流仍能流通。这样就保证了级联式多电平逆变器电流在任意电平时都能流通，提高了电路的可靠性，也使其控制电路简化，控制难度降低。

2 控制原理

电压型单闭环控制的流程图如图2所示，图中Ur为标准正弦波电压信号，Uof为输出电压的反馈电压波形信号，Ue为Ur与Uof经过PI调节器形成的误差信号，Vcc为输入多电平逆变器的直流电源电压，D为脉冲占空比，是由Ue与三角载波Uc通过SPWM控制后得出的。UAB为多电平H桥级联式逆变器输出电压，在经过LC滤波后得到正弦波输出电压Uo。

图2 电压型单闭环控制流程图

闭环控制的基本控制规律就是由有源串联矫正装置提供的控制规律加上反馈矫正装置提供的控制规律组成的。其中有源串联矫正装置是由运算放大器和RC电路构成，其参数要根据需要调整，故在工业上经常采用电动单元构成的PI控制器。

（1）比例（P）控制规律。控制器增益为Kp。可以通过改动增益来对控制信号进行放大，而不改变其相位。

在串联矫正中，如果使Kp增大，那么可以使系统开环增益增大，减小系统稳态误差，同时系统控制精度提高，但是会降低系统稳定性。因此，设计中需要其他环节来和此环节进行互补。

（2）积分（I）控制规律。积分可调系数为Ki。采用I控制器可以提高系统的无差性，但也会降低系统的稳定性。

（3）比例—积分（PI）控制规律。相比于I控制器，PI控制器在系统中又增加了一个位于S平面左半部分的开环零点。这个增加的负零点就可以减小系统阻尼，矫正PI控制器对系统稳定性的缺点，只要积分时间常数Ti够大，系统的稳定性能就会提高很多。

与图2相对应的传递函数结构图如图3所示。

图3 电压型单闭环控制传递函数结构

由图3我们可以得出该控制系统的开环传递函数为：

该控制系统的闭环传递函数为：

将PI控制器的传递函数带入上式得：

由上式可知，我们只需要设置好Kp、Ti与LC的值就可以使整个系统正常运行。

3 SPWM调制策略

多电平逆变器的控制策略主要是考虑降低输出电流中含有的谐波份量，改善逆变器的输出性能。对于三电平逆变器来说输出电流波形的正弦波纹波小，而电压波形畸变较大，故我们一般采用电流控制策略。不同的电流控制技术对系统动态响应和电流控制精度的影响也不同，而不同的调制技术也决定了网侧电流谐波含量的多少。首先要生成SPWM波，即用给定的理想正弦波信号的调制波与F倍于调制波频率的三角载波相比较，得出宽度正比于正弦波的矩形波即SPWM波，其工作原理如图4所示。之后把SPWM波用作控制开关管为1或为0的信号，从而使直流电能转换为多电平交流电能。同时我们也可以发现在一个正弦波的周期内，三角载波不仅在正半周与正弦波相交产生+1与0两种电平，而且在负半轴也会与正弦波相交产生-1与0两种电平。

图4 SPWM波调制原理

4 仿真结果

三相级联式三电平逆变器是由三个单相级联式三电平逆变器并联叠加而成，并且加了RLC滤波器。根据图2所示，该仿真单元分为如下几个部分：SPWM波产生模块（开关控制）、级联H桥逆变器模块、直流电源模块、简单滤波模块以及PI控制模块。

SPWM波产生模块包括正弦波产生模块、三相分散模块，与三角载波比较模块。比较后得出的波形分别作用于三相级联的三个H桥的12个开关管上，实现对三相逆变电路的SPWM控制。PI控制模块的主要功能是把输出的电压值经过PI调节后反馈给SPWM波产生模块作为输入电压的值。

仿真各部分参数为：直流电源电压三个为20V，三角载波频率1kHz，调制波频率50Hz，调制比0.6，滤波器中电感L=50mH，电容C=0.56mF，负载电阻R=10Ω，KP=0.2，KI=40。仿真结果波形如图5到图11所示，通过以下仿真结果我们可以得知输出相电压幅值为4V左右，线电压为7V左右，调制波幅值为12V左右，满足上述条件。通过图10与图11对比我们也可以看出，PI调节器有效地调节了输出电压的值，维持了系统的稳定性。所以此电压型单闭环控制方法是成功且有效的，并且同时THD=0.78%，此方法对于电网谐波的控制也得到了有效的证明，并且比开环控制的效果更好。

图5 开关控制波形

图6 输出相电压波形

图10 PI调节前单相电压值波形

图11 PI调节后单相电压值波形

图7 输出线电压波形

图8 三相SPWM调制波波形

图9 总谐波含量

5 结语

多电平逆变器可以在很多场合，如高压大功率场所取代两电平逆变器，并且有效地减少了谐波含量，即是降低了滤波器的设计要求，在部分场所甚至可以省略滤波环节。本文分析了三相级联式多电平并网逆变器的控制方法，文中采用了电压环控制的方法，使用了SPWM调制策略来控制输出电压波形和谐波含量，仿真结果验证了这种控制方法的可行性。