摘要：针对传PWM控制直流侧利用率低，而SVPWM控制对于多电平的控制计算过于复杂，高于5电平很难实现，为了提高直流侧利用率，本文通过PWM控制机理的分析，提出一种适用于多电平逆变器的PWM控制方法，理论分析证明该方法的控制效果与SVPWM相同，而且计算简单，易于实现，最后在MATLAB软件中，搭建了一个6kv、5Mvar、7级星接STATCOM模型，对所述理论的正确性与可行性进行了验证。
关键词：变流器；调制方式；直流电压；
中图分类号：TM464
A PWM control method to improve the utilization of capacitor voltage of converter
author
（Unit，Anshan，114000，China）
Abstract：aiming at the low utilization rate of dc side of the conventional PWM control，and the calculation of SVPWM control for multilevel control is too complex，above 5 level it is difficult to implement，in order to improve dc voltage efficiency，according to the analysis of PWM control algorithm，put forward a kind of applicable to multilevel inverter PWM control method，compare with the SVPWM，it was more simple to execute.In the MATLAB simulation，set up 6 kv level 7 star STATCOM interconnection model，the validity and feasibility of the theory described was demonstrated in the simulation results.
Keywords：converter；modulation；DC voltage
随着大功率器件和控制理论的快速发展，许多新颖的开关器件控制策略也随之诞生[1]。在当前的电力系统中，全控器件发展快速且应用广泛，对电能质量提出新的考验，同时电网用户的增加，也带来更多的谐波污染、噪声干扰等问题，因此，在对变流器的控制研究领域吸引了更多人的关注[2]。目前在变频调速、新能源发电等领域，中高压逆变器控制还是存在很多控制难点，在调制方法上，PWM调制方法的应用最为广泛，该方法简单，易于执行，但电容电压的利用效率一般，因此，近年来在原有的调制方法基础上提出了很多改进的控制策略[3]，相比传统的调制方法，SVPWM调制法通过逼近圆形磁通矢量，可以有效降低开关损耗，减少换流次数，通过SVPWM产生所需的控制脉冲使得控制器产生的谐波更小，降低开关损耗，但由于算法复杂，对于高于5电平的控制已经很难实现，因此调制方法的改进对中高压多电平换流器控制有很好的研究意义[4]。
本文以级联多电平STATCOM为研究基础，分析PWM控制方法，推导了基于等效面积的PWM控制方法的改进思路，提出一种简易可行的PWM控制方法，提高了功率单元电容电压利用率，并在MATLAB中搭建了一个6kv7级星接STATCOM模型进行仿真研究，然后通过仿真结果对比，证明了改进后PWM控制算法的正确性。
1 级联多电平拓扑结构
图1.级联多电平STATCOM拓扑结构
Fig.1 Cascade multilevel STATCOM topology
联型多电平STATCOM由三组单相全桥变流功率模块组成，功率模块又叫H桥，在每相中把多个单元串联作为一个阀组，三个阀组组成一个完整的三相变流器[5]，这种级联结构已在高压变流器中得到很好的应用，图1给出的是三相H桥级n级STATCOM主电路结构，电平数为2n+1。
2 调制算法的改进
本文在SPWM基础进行算法改进，对SPWM算法不再赘述[6]，本文旨在相同直流电压水平下，通过对调制波变换，尽可能的提高直流电压利用效率，因此可在调制波中加入函数f（t）作为矫正量，在保持
前提下，可在调制波加入倍频的谐波信号来降低调制度，起到提高直流侧利用率的效果[7]。
以SVPWM为参考，在图2中，SPWM的调制波为变换前标准的正弦波，而SVPWM则是马鞍形波形，其直流侧利用率更高，其调制波的特征为在SPWM的基础上注入了一个零序分量。
图2 SPWM与SVPWM调制
Fig.2 Modulation of SPWM and SVPWM
信号f（t）应是调制波的三倍频信号，且极值点与三相调制波的极值点对应，因此f（t）可选择三倍频的三角波，如图3 所示。
图3 调制波变换
Fig.3 Transforming of modulation curve
设调制波为
、则改进后的调制波为
，设f（t）的斜率为±k，即
（1）
（2）
（3）
根据图3，令
峰值最小，仅考虑1/6周期即可，
（4）
对式（4）求导
（5）
式（5）极值点时刻tmax，即
（6）
将式（6）带入式（4）得
（7）
对式（7）对k求导，导数为0，得
k为ω/2时为极值点，将k=ω/2带入式（7）中
（8）
式（8）结果与SVPWM控制结果一致，该方法仅是PWM控制方法的一个特解，在SPWM的基础上，可以通过注入高頻零序信号来调节控制目标。这是PWM控制方法的改进一个思路。
而从图2中的三相平衡电压中间部分就是一个较好的改进PWM控制方法的一个特解，通过分析计算其计算公式：
（9）
k一般取-1/2，这样将f（t）注入调制波就实现了提高单元电容电压利用效率的目的。
3 多电平级联STATCOM的控制策略
图4.STATCOM 控制框图
Fig.4 STATCOM control diagram
电流环基于瞬时无功理论[9]，进过dq变换后进行闭环控制，电压环以各单元电容电压平均值比较进行闭环控制计算出主调制波，对于多电平级联STATCOM的直流侧平衡算法采用是单元均压算法进行电容电压微调[10]，计算出的调制波通过载波移相即可控制各相阀组发出指令电压[11]。
根据上述策略，将改进的PWM算法加入其中，STATCOM总的控制策略如图4。
4仿真分析
根据上述控制策略，在MALTAB中搭建一个6kV7级星接STATCOM并网模型，模型结构如图5，系统参数见表1，按恒无功容性1Mvar控制。
表1 仿真参数
Tab.1 The simulation parameters
图 5 STATCOM仿真模型
Fig 5 STATCOM simulation model
实验结果由图6可见，改进前后的PWM控制结果，从调制波看，改进后的PWM控制方法，直流侧利用率更高，其中未改进的PWM控制方法，其调制波幅值为0.831，而改进后的调制波幅值为0.720，其直流侧利用率提高了
，这与理论分析基本一致，表明改进的PWM控制方法在多电平逆变器的控制上的有效性与可行性。
图 6 不同调制方法下的仿真结果
Fig 6 The simulation results under different modulation method
5结论
从PWM控制方法的机理分析，理论推导了PWM控制方法的改进思路，并以提高直流侧利用率为目的提出了一种改进的PWM控制方法，能够为变流器功率单元节省10%-15%的电容器件，同等条件亦可提高其暂态过压耐受能力，同时在调制波的计算上大大降低了复杂程度，为中高压变流器的控制提供一种简易可行的PWM算法改进思路，并在MATLAB仿真中，证明了改算法简单可行。
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作者简介：
姓名（出生年月），性别，户籍。
论文作者:陈浩平
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/9
标签：电平论文; 方法论文; 电压论文; 算法论文; 利用率论文; 变流器论文; 电容论文; 《电力设备》2019年第16期论文;