摘要：为解决五电平级联H桥工作过程中直流侧电容电压存在波动的问题，对目前控制方法进行分析的基础上提出了一种新的直流侧电容电压平衡控制方法。通过向各相的参考电流中都叠加一定的有功电流来控制三相电压的平衡，在两个H桥单元的电压调制波中分别叠加与有功电流同相位但符号相反的电压来控制同相直流侧电容电压的平衡，使直流侧电容电压维持在给定值附近。仿真结果验证了该方法的有效性。
关键词：五电平；级联H桥；电压平衡
1 引言
五电平级联H桥型逆变器是一种较为新颖的多电平拓扑结构。该拓扑结构具有对电网谐波污染小、输入功率因数高、不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置、输出波形好、不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动等优点，且各变流器单元的工作负荷一致，电路设计可以使用功率单元旁路电路从而使得控制系统可以在线切除故障单元以保证系统继续工作，易于模块化和易于采用软开关技术。这种拓扑结构有一个特点：即电路的每个基本单元都需要用一个独立的直流电源来实现钳位功能；随着输出波形电平数增加，串级单元使用的直流电源数也将增加[1]。虽然在APF系统中并不需要直流侧提供有功功率，直流侧可采用电容来代替直流源。但由于级联H桥型变流器的直流侧电容数量较多，只有在直流侧电容电压平衡且维持在参考值的情况下才能保证有源滤波器的正常工作，因此，对于直流侧电容电压的平衡控制也有待进一步的研究[2~5]。针对五电平级联H桥有源滤波器直流侧三相独立，电容较多的特点，本文提出了一种直流侧电容电压平衡控制方法，并进行了仿真分析，结果证明了该方法的正确性。
2 五电平级联H桥的工作原理
图1所示为基于五电平级联H桥逆变器的并联型APF的拓扑结构。
图1 基于五电平级联H桥逆变器的并联型APF拓扑结构
五电平级联H桥逆变器采用文献[6]提出的半周期载波移相技术。每个模块的输出都是两个三角波与调制波相交产生的PWM信号的叠加，是三逻辑信号。在半周期移相方式中，N个三角波
与N个三角波
在整个调制波周期内均匀分布，所以N个模块构成的级联型变流器等效为2N模块的相移SPWM组合变流器，其输出为（2N+l）电平的PWM信号。
3 直流侧电容电压控制
由于五电平级联H桥的直流侧电容较多，电压平衡控制一直以来都是一个难点。目前，有如图2所示的电容电压平衡控制方法来实现三相电压的平衡[5]。
图2 三相PI调节直流侧电压平衡原理图
其基本思想是同相内的两个电容电压的和与参考电压的偏差经PI调节后与各相电压的单位正弦波相乘然后叠加到各相的参考电流中。即通过在各相参考电流中注入有功电流的方法来使得交直流侧发生功率交换，进而维持三相电压的平衡。这种方法虽然控制结构较简单，但实际的平衡效果却并不理想。因为在三相三线制系统中，由于三相电流之和为零，所以三相电流并不独立。因此在图2中，必然有一相得不到有效控制。另外这种方法也并没有考虑同相电容间的电压平衡控制。为此，本文提出了一种新的直流侧电容电压平衡控制方法，其整体控制框图如图3所示。
图3新的直流侧电容电压平衡控制整体框图
其控制思想是首先利用在参考电流中叠加有功电流的方法实现三相电压的平衡。同时利用在电压调制波中叠加有功电压的方法来实现同相电容的电压平衡。下面分别阐述两部分的控制结构。
3.1 三相电压的平衡控制
三相电压平衡控制的结构框图如图4所示，整个控制的目标是保持各相中电容电压的和在参考值
附近。
图4 三相电压平衡控制的结构框图
由前面的说明我们已经知道，由于三相电流并不独立。所以同时用PI来控制三相的电压平衡效果并不理想。在本结构中，只选取了其中的两相来做PI控制。另一相虽然不做PI控制，但由三相电流之和为零可以知道，这一相向参考电流中所叠加的有功电流为另两相有功电流的和的相反数。另外，我们并不是固定地选择两相来做PI控制，而是通过比较单元来选择电压偏差最大的两相来做PI控制，以有效地减小偏差量，有效地实现了三相电压的平衡控制。
3.2 同相电容电压的平衡控制
同相电容电压的平衡控制即同一相的两个级联H桥的直流侧电容电压的平衡控制。由于它们始终拥有相同的电流，因此无法通过叠加有功电流的方法来实现两个直流侧电容电压的平衡。考虑到在上小节三相电压平衡控制中，为了实现三相电压的平衡，各相的参考电流中都叠加了一定的有功电流。那么，如果能够在两个H桥单元的电压调制波中分别叠加与有功电流同相位但符号相反的电压的话，便可以实现同相电容间的功率流动，进而实现同相直流侧电容电压的平衡控制。以A相为例，同相的电容电压平衡控制原理如图5所示。其中，
为需要叠加到电压调制波上的有功电压量，
为上小节所述的叠加到A相参考电流中的有功电流。
图5 同相电容电压平衡控制原理图
4 仿真分析
设变流器直流侧总电压参考值为600V，其中每个H桥单元直流侧电容电压给定参考值为300V，对图2所示及本文所提出的直流侧电压平衡控制方法进行仿真。
图6所示为利用图2所示方法进行控制的仿真结果。
（a）A相电容电压波形 （b）A相直流侧电压波形
（c）B相直流侧电压波形 （d）C相直流侧电压波形
图6 传统直流侧电压平衡控制仿真波形
对上图进行分析可知，传统的三相直流侧电压控制方法很明显达不到控制要求，其三相电压中只有两相得到了基本的控制，另一相却很明显未能稳定在参考值附近，并且，该相中的两个直流侧电容各自的端电压也未得到有效控制。仿真结果表明传统的电压平衡控制方法确实不能同时实现对三相电压的有效控制。
图7所示为采用本文所提出的直流侧电容电压控制方法的仿真结果。
（a）A相电容电压波形 （b）A相直流侧电压波形
（c）B相直流侧电压波形 （d）C相直流侧电压波形
图7 新的直流侧电压平衡控制仿真波形
对上图进行分析可知，三相的直流侧电压均得到了有效的控制，始终稳定在参考值附近。同时，同相内两个电容的电压值也达到了控制要求，各自都维持在参考值附近。故这种新的直流侧电压控制方法能够实现对直流侧所有电容电压的平衡控制。
5 结论
针对五电平级联H桥直流侧电容电压的平衡控制问题，本文提出了一种新的控制方法。即通过向各相参考电流中叠加有功电流的方法来实现三相电压的平衡，然后通过向各H桥单元的调制波中叠加有功电压的方法实现同相内的电容电压的平衡，从而实现了H桥直流侧电容的平衡控制。仿真结果证明了该方法的正确性。
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作者简介：
王艳1988年，女，汉族，山西省霍州市，研究生，助教，昆明学院，电网谐波治理，邮编650032。
论文作者:王艳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第11期
论文发表时间:2018/8/1
标签：电压论文; 电容论文; 相电压论文; 电平论文; 电流论文; 波形论文; 方法论文; 《电力设备》2018年第11期论文;