相对于二极管钳位型多电平变流器和飞跨电容型多电平变流器，级联H桥型多电平变流器具有如下优点：

　　1）各变流器单元结构相同，容易实现模块化设计、安装、维修；

　　2）直流侧相互独立，电压均衡容易实现；

　　3）各变流器单元工作对称，开关负荷平衡。

　　当然，级联H桥型变流器也有不足之处，主要就是在需要提供有功功率的场合必须采用独立直流电源。显然，在不需要提供有功功率的场合比如静止无功补偿器、有源电力滤波器(APF)等，级联H桥型多电平变流器具有更大的优势。

　　就我们所知，在以往的研究中，级联H桥型变流器一般是应用于中高压交流驱动[3]、静止无功补偿器[5][6]等场合，几乎没有在有源电力滤波器中应用的报道。并联APF是一种受到广泛研究的大功率电力电子装置，具有很强的实用价值。将级联H桥型多电平变流器引入并联APF，对提高有源滤波器的功率等级有重要的意义。

　　级联H桥型变流器的开关调制策略有很多，如阶梯波脉宽调制、多电平空间矢量调制、载波相移SPWM[4]和错时采样SVM[5]等。载波相移SPWM技术可以在较低的器件开关频率下实现较高开关频率的效果，不但使SPWM技术应用于特大功率场合成为可能，而且在提高装置容量的同时，有效地减小输出谐波，提高整个装置的信号传输带宽，是一种非常适用于大功率APF的开关调制策略。

　　本文给出了一个基于级联H桥型多电平变流器的并联APF的仿真实现，级联H桥型变流器的开关调制策略采用载波相移SPWM技术。仿真结果表明，仿真装置拥有足够的传输带宽，可以有效、准确地补偿负载谐波电流。

　　1　基于级联H桥型五电平变流器的并联APF的电路拓扑

　　基于级联H桥型多电平变流器的并联APF的电路拓扑如图1所示（以五电平为例），在实际中每个H桥对应一个IGBT-IPM智能模块。这样，不仅能满足大功率的补偿要求，且使系统结构简单、控制方便、可靠性提高。电网负载采用电流源型不控整流器，级联H桥型变流器直接接入电网与负载并联。图1中iS为交流网侧电流，iL为负载电流，iC为APF补偿电流，Uxy为x相第y变流器单元的直流侧电压(其中x=a，b，c；y=1，2)。显然，有：iS=iL＋iC（1）



图1　　基于级联H桥型　多电平变流器的APF

　　APF系统的工作原理是：通过谐波和无功检测电路得到负载电流iL的谐波和无功分量，将其取反即得到级联H桥型变流器的指定电流iC＊；构造交流侧反馈控制，使得级联H桥型变流器的交流侧电流iC准确地跟踪iC＊，从而实现对负载电流iL谐波和无功分量的补偿，使得电网电流的波形接近正弦并使网侧功率因数达到单位功率因数。另外，为使电路能够正常工作，各变流器单元的直流侧电压应该保持均衡；同时为了补偿系统本身的损耗，APF需要从电网吸收少量的有功功率，为此对直流侧进行反馈控制。整个系统的控制框图如图2所示。



图2　　系统控制框图

　　2　载波相移SPWM技术

　　级联H桥型变流器的开关控制策略采用载波相移SPWM技术，其调制原理如图3所示。文献[6][7]对载波相移SPWM技术消除和抑制谐波的数学原理进行了分析，结论是：对于一个输出相电压为N电平的级联H桥型多电平变流器，在载波相移SPWM下，变流器总体的等效开关频率是开关器件实际开关频率的N－1倍，同时变流器的信号传输带宽也随之大大增加。这个结论表明，载波相移SPWM可以在相当低的器件开关频率下达到较高等效开关频率的效果，在大功率APF中有良好的应用前景。



图3　载波移相CPS-SPWM的调制原理

　　3　谐波和无功检测

　　APF补偿电流的检测方法不同于一般电力系统中所使用的谐波测量。它一般不需要分解出各次谐波分量，而只需要检测出除基波和有功电流之外的总的高次谐波和无功畸变电流。难点在于准确、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流，为有源电力滤波器控制系统进行精确补偿提供电流参考，是决定APF性能的关键。针对APF中只需检测总的畸变电流，反向后注入系统，以抵消或补偿系统中畸变电流，使电网仅提供基波有功电流这一工作特点，从保证APF能最有效的工作出发，本文采用了图4所示的基于ANN的谐波电流检测原理。

　　iL(t)=I1sin(ωt＋φ1)＋Insin(nωt＋φn)=i1(t)＋in(t)（2）

　　式中：i1(t)为基波电流；

　　in(t)为n次谐波电流。

　　可以把它们进一步分解为正弦和余弦两部分：

　　i1(t)=i1cosφ1sinωt＋i1sinφ1cosωt=i1p(t)＋i1q(t)

　　in(t)=incosφnsinnωt＋insinφncosnωt=ins(t)＋inc(t)n>1（3）

　　式中：i1p(t)为基波有功电流；

　　i1q(t)为基波无功电流；

　　ins(t)为n次谐波的正弦分量；

　　inc(t)为n次谐波的余弦分量。



图4　基于ANN的谐波电流检测原理图

　　用自适应噪声抵消法进行谐波检测，取iL作为原始输入，若将i=i1＋i2＋Lin看作“噪声干扰电流”，则其他更高次谐波的总电流ik就是需要检测的“信号”，i和ik不相关；取sinωt，cosωt以及它们的2、3、…、n次等倍频谐波作为参考输入，它们和i对应的各次正弦和余弦分量分别相关,而和ik不相关。可以看出，上述条件满足自适应噪声抵消法的要求。当选用适当的多路自适应滤波器并采用最小均方算法后，可以通过多路自适应滤波器得到“噪声干扰电流”i的各分量以及“信号”ik的最小均方误差意义下的最佳逼近值。从上述分析可以看出：检测总谐波电流只取sinωt，cosωt作为参考输入，ANN学习完成之后，系统的输出即为总谐波电流。

　　4　APF系统控制的实现

　　4.1　　交流侧控制

　　为使SAPF取得良好的跟踪性能，交流侧采用了滑模变结构控制（SMC）。系统的控制框图如图5所示，直接将电源侧的输入电流is作为控制对象，使其为正弦波，且与电源电压同相，达到功率因数为1的目的。系统采用双闭环控制，外环为电压环，一方面控制直流侧的电压使其稳定在给定值附近，另一方面，根据有功功率的流动并利用功率平衡获取参考输入电流的幅值k，与同步信号相乘后作为电流参考信号is＊。内环是电流环，检测实际输入电流is与参考电流is＊的误差，其误差经SMC控制回路产生相应的PWM波控制电路中各个开关管的导通和截止，从而达到实时跟踪控制电源实际电流的目的。



图5　SAPF的滑模控制原理图

　　4.2　直流侧总电压闭环控制的设计

　　为使有源电力滤波器主电路正常运行，必须使其直流侧电容电压维持在一定的数值，以保证主电路在任何时刻都能跟随指令电流的变化产生正确的补偿电流。假如不对其采取任何控制，由于系统存在的损耗和补偿电流的变化，电容的端电压会产生衰减或大的波动。对于本文所采用的五电平变流器而言，各变流器单元的直流侧电压必须均衡，这是保证载波相移SPWM正常工作的前提条件。由于直流侧相互独立，因而直流侧均衡比较容易实现。本文中采用PI控制实现了直流侧的电压均衡，以五电平变流器为例，其原理框图如图6所示。系统直流侧电压（Ua1，Ub1，Uc1）的动态响应曲线如图7所示，仿真结果表明只需采用PI控制就可以实现直流侧电压均衡。在这样的控制下，同相内各变流器单元的直流侧电压一直保持相等，不同相变流器单元的直流侧电压有细微的偏差。需要指出的是，仿真过程中对PI调节器的输出没有进行限幅，由于初始直流电压为0,因而在直流侧会产生非常大的冲击电流。为了避免上述情况的出现，PI调节器的输出应该限幅。限幅后，系统的动态响应速度明显放慢，直流侧电压均衡的效果也有所降低，但输出电压与给定电压之间的相对误差仍保持在5％以内，在工程应用中这样的误差容限是容许的。即使如此，在初始阶段直流侧仍然会产生冲击电流，因而在实际应用中在直流侧应串联限流电感。



图6　直流侧控制框图



图7　PI直流侧电压动态响应

　　直流侧电压的建立和均衡是系统正常工作的必要条件。直流侧电压的建立一般有自励、半自励和他励3种方式。本文中采用的是半自励方式，即上电后先让级联H桥型变流器工作在整流状态，将直流电压升高到给定值，然后并网，这样做可以减小并网后的冲击电流，降低限流电感的尺寸。

　　5　仿真结果

　　本文构造了一个基于级联H桥型五电平变流器的并联有源滤波仿真系统。仿真系统的参数如下：交流电源电压220V，电源频率50Hz，交流侧电感0.5mH，直流侧电容6000μF；开关器件选用理想IGBT，器件开关频率为1050Hz，等效开关频率为4200Hz。仿真系统的工作波形如图8所示。其中图8(a)是负载电流波形iL，图8(b)是APF输出补偿电流波形iC，图8(c)是补偿后网侧电流波形，图8(d)是补偿后交流网侧B相电网电压es和电流iS的波形。图9(a)是负载电流i的谐波频 谱，图 9(b)是补偿后A相交流网侧电流的谐波频谱。仿真结果表 明，在较低的器件开关频率下，APF系统的补偿效果是非常好的，这对系统的功率等级有着积极的意义 。



　　6　　实验验证

　　当有源电力滤波器补偿不同大小的三相不控整流负载的谐波与无功电流时，补偿电流与补偿后网侧电流波形如图10所示。



图10　实验波形汇总(横坐标5ms/div,纵坐标10A/div)

　　7　结语

　　级联H桥型多电平变流器能够直接输出高压，具有结构简单易于模块化实现、直流侧相互独立，容易实现直流侧电压均衡，各单元工作对称、开关负荷平衡等优点。如果采用载波相移SPWM技术、错时采样SVM技术等优秀的开关调制策略，级联H桥型多电平变流器可以在较低开关频率的情况下实现较高等效开关频率的效果，在提高装置容量的同时有效地减小输出谐波，提高整个装置的信号传输带宽。基于上述优点，可知级联H桥型多电平变流器非常适用于大功率电力有源滤波器。本文对基于级联H桥型多电平变流器的并联有源滤波系统的直流侧均压控制、谐波和无功电流检测、交流侧控制进行了设计和仿真。仿真和实验结果表明，基于级联H桥型多电平变流器的并联有源滤波系统可以在较低的开关频率下准确、有效的补偿负载谐波，在大功率应用场合有良好的应用前景。

　　作者简介

　　李建林（1976－），男，中科院电工所博士后，研究方向为有源电力滤波器、变速恒频风力发电技术。

　　许鸿飞（1974－），女，山西省水利科学研究所。

　　王立乔（1974－），男，燕山大学副教授，研究方向为电力电子技术。

　　张仲超（1942－），男，浙江大学电力电子研究所、国家重点实验室教授，博导，研究方向为大功率电力电子变流器与变频调速。

作者：李建林　许鸿飞　王立乔　张仲超