电流型三相五电平变流器拓扑的控制策略研究

摘要：目前的多电平变换技术主要是针对电压型逆变器：随着超导储能技术的发展，电流型逆变器的储能效率问题必将得到解决，电流型多电平逆变器也将得到广泛应用。详细介绍了一种新型电流型三相直接式五电平拓扑，研究了该拓扑的控制策略。给出了仿真和实验波形，仿真结果和实验波形验证了文中所做的分析。
关键词：电流型多电平；拓扑；控制策略

O 引言
    现有的关于多电平变流器的研究工作主要是针对电压型变流器(Vohage Source Inverter，简称VSI)，对电流型变流器(Current Source Inverter，简称CSI)研究还较少。这不仅是因为通常的电力能源例如发电机，电网，电池等均属电压源，而且VsI中的储能元件电容器与CSI中的储能元件电感器相比，储能效率和储能元件的体积、价格都具有明显的优势。但是，随着超导技术的发展，将解决电流型变流器中电感的储能效率问题。和VSI相比，CSI也具有自己的特点，它便于实现四象限运行，而且工作更加稳定，输出电流更加容易控制等。因此，在有源滤波(APF)、无功补偿(SVG)以及电力系统中，应用将会越来越广泛。对于多电平逆变器而言，PWM技术无疑是一种获取理想输出的方案。总体上来讲，适用于多电平VSI的控制策略同样适用于多电平CSI，但对于不同的拓扑应采用相适应的控制策略。对于组合式多电平CSI，各个单元CSI在控制上相对独立，因而便于采用PWM技术。对于直接式多电平CSI，不能简单沿袭常规的调制方法，通常，三相多电平CSI在选取控制策略时必须考虑以下因素：
    1)要维持直流侧电流的持续导通；
    2)要保证分流电感的电流平衡；
    3)要考虑到三相电流的相互耦合影响。

1 电路拓扑分析
    图1是本文介绍的三相五电平CSI拓扑(以下称为直接式三相五电平)，每个开关器件由MOS管和一个快恢复二极管串联。在稳态时，考虑到电路拓扑的对称性并忽略电感的纹波，则在分析电路时图中可用值为1／2的电流源来代替每个均流电感。如图2所示，它的输出电平为一I，一I／2，0，1／2．I五电平。

    本文中的CSI，从形式上看是两个普通逆变器并联于同一电流母线两端，但其工作原理是利用多电平组合的思想，五电平拓扑利用4个均流电感对逆变器的输入电流、输出电流均分成两等份，然后再用相应的开关对三相电流进行合理的分配、组合得到所需的五电平。以A相为例，输出电平和开关导通示意如表1所列。

2 三相直接式五电平CSI的调制方式研究
    常用的多电平变流器的PWM控制方法有：多电平消谐波PWM(SHPWM)，载波相移(CPS—SPWM)，开关频率优化(SFO—PWM)，空间矢量调制(SVPWM)。本文对图1所示的三相新型五电平CSI的调制方式是一种组合逻辑的PWM技术，用三相互差120°的正弦波调制信号和一个三角载波比较(正弦波的幅值为5V，三角波幅值为2．5V)，再通过数字和模拟电路的组合输出相应的PWM波。
 
    图3为采用的实现PWM技术的数字化方案。所有的比较器单元(决定着开关逻辑)接收三相正弦波调制信号，每一个正弦波对应一片EPROM和D／A转换器，每一个EPROM均由不同的计数器来寻址，且通过锁相环与对应相的电源同步。幅值控制信号为Vmod，它与包含着正弦调制信号的EPROM的输出经过D／A转换后相乘，然后作为每个比较模块单元的调制信号。

    对于电流型逆变电路，开关动作须满足三个条件，即维持直流侧的持续导通；考虑三相电流相互耦合的影响；均流电感上平均电压应为零。基于以上考虑，本文采取了以下的PWM控制策略。

    1)以A相为例，如图4(a)所示，由SINA、一SINA与同一个三角载波比较分别得到一个二电平的脉冲信号，两个信号叠加得到一个三电平的脉冲信号PA。(同理，可得信号PB，Pc)。三电平的脉冲信号PA和PB相叠加得到五电平的一组调制信号PA一PB，如图4(b)所示，同理可得PB—PC，PC-PA。

    2)考虑到上述的电流电平组合条件，取PA(PA1，PA2，PA3，PA4分别代表开关SA1，SA2，SA3，SA4上的控制信号)为正半周大于零的电平信号，PA2为正半周大于1／2的电平信号，同理，PA3为负半周小于零的电平信号，PA4为负半周小于一1／2的信号。通过模拟开关使PA1、PA2以及PA3、PA4均匀地交替输出，这样，每个开关管上的驱动信号皆为宽窄脉宽交替，保证了若干周期内左右两个桥臂导通时间一致，从而能更好地实现均流电感平均电压为零，如图5(b)所示为同一桥臂的三个开关的驱动信号。

    3)在本实验中，主电路每个桥臂都不能存在直流无通路的情况。为了消除直流无通路的状态，以一个桥臂为例，采用如图5(a)的逻辑控制，对一个桥臂上的3个开关信号“或非”后取得该桥臂均不导通的信号，此信号与其所在相信号“与”后，再与该路的信号“或”，得到各路开关管上的控制信号。这样能很好地保证主电路每个桥臂都不存在直流无通路的情况。

3 直接式三相五电平CSI仿真和实验
3．1 仿真参数和结果
    为验证这种控制策略的正确性，本文对新拓扑构成的三相五电平CSI进行了仿真研究。仿真参数如下：电流源电流为20A，每个均流电感为100mH，逆变器的输出工作频率为50Hz，负载电阻为8Ω，负载为星型连接无中性线，输出滤波器由LC组合而成(L=5mH，C=60μF)。

    图6(a)所示为三相五电平CSI的输出PWM电流波形。图6(b)为滤波后的三相负载电流波形，可见滤波后的电流波形非常接近正弦波。

3．2 实验参数结果
    在前面分析讨论的基础上，对三相直接式五电平CSI拓扑进行了实验验证。实验的主电路如图1所示，参数如下：每个均流电感为100mH，输出电流的频率为50Hz，负载电阻为8Ω，输出滤波电容为60μF，滤波电感为8mH，载波比为32。实验测得输入电流约为4A，图7(a)为滤波前的三相负载电流波形，图7(b)为滤波后的波形，可以看出，输出波形非常接近正弦波。

4 结语
    直接式CSI多电平逆变器是一种非常有特色的拓扑，随着高温超导技术突破性的发展并进入实用化，超导技术将解决电流型变流器中的储能电感储能效率问题，同时电力超导储能系统中储能线圈具有电流源特性，因此，电流型变流器将具有广泛的应用前景，进行三相直接式CSS的拓扑和控制的研究将具有重要的意义。