基于CPS-SPWM调制的级联H桥有源电力滤波器研究

Research on H-Bridge Cascaded APF Based on CPS-SPWM

摘要: 本文介绍了载波相移脉宽调制适用于大功率场合的理论依据，讨论了级联H桥多电平变流器较其他形式变流器的优势，采取了载波相移脉宽调制在级联H桥变流器的实现方法，采用基于CPS-SPWM调制级联型多电平变流器的并联电力有源滤波器的拓扑结构，探讨了三相瞬时无功功率理论在检测层面的应用，并对其进行仿真和分析。仿真结果表明，在较低的开关频率下，基于CPS-SPWM调制级联H桥并联型APF可以对负载谐波和无功功率进行准确、有效的补偿。

Abstract: The theory basis that fits for large capacity power electronic equipment of CPS-SPWM is introduced. The advantages over other modulation strategies of CPS-SPWM are discussed. The implementation method of carrier phase-shift pulse-width modulation in the cascade H-bridge converter is adopted. The topology based on shunt active power filter of CPS-SPWM modulation cascade multi-level converter is used. The three-phase instantaneous reactive power theory in the detection level is discussed and its simulation and analysis is presented. The results of simulation and experiment indicate that the shunt active power filter with CPS-SPWM based cascade H-bridge multilevel converters can compensate load harmonics and passive power precisely and efficiently at lower switch frequency.

1. 引言

有源电力滤波器(Active Power Filter, APF)是一种进行谐波动态抑制的新型电力电子装置 [1] ，在稳定电网系统、提高用电效率和提升电能品质方面扮演者重要角色。

某些应用场合需要大功率、大容量，然而开关器件的功率处理能力与开关频率之间往往两者难以兼顾，故在APF系统难以应用脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)技术。为解决性能与容量上的矛盾，人们试图从大功率变流器的电路拓扑和控制策略两方面着手以应对功率器件未有本质突破所带来的桎梏。

多电平变流器的开关调制策略有多电平空间矢量调制 [2] 、阶梯波脉宽调制 [3] 、基本频率调制载波层叠式PWM [4] 、错时采样空间矢量调制 [5] 、载波相移SPWM等 [6] [7] 。CPS-SPWM技术可以很好的应用于大功率场合，输出波形得到极大地改善，谐波得到明显得抑制，滤波器的容量可以相应的减小，由此成本得到显著的控制。同时因其等效开关频率高、传输带宽宽，可以引入各种先进的控制策略，优化整个系统的性能指标。在将CPS-SPWM技术应用于APF时，功率主电路的复杂性没有因此增加，故并没有大幅增加我们的工作量。

本文的主要工作是：给出CPS-SPWM在级联型多电平变流器的实现方法，详述基于-的瞬时无功功率理论 [8] 在检测方面的应用，根据仿真结果分析将CPS-SPWM引入级联式有源电力滤波器的优势。

2. 基于CPS-SPWM技术的级联H桥型APF [9]

PWM(Pulse Width Modulation)控制技术 [10] 在很多场合应用广泛，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值) [11] 。由于PWM控制技术具有频率控制以及斩波控制的优点，其载波频率与调制输出波形效果成正比，故其传输特性好、性能优越。CPS-SPWM是对PWM技术的拓展，使其更好的应用于大功率场合。

CPS-SPWM技术的运用可以在比较低的开关频率下得到比较高的等效开关频率，很好的解决功率器件的容量和开关频率二者之间的矛盾。在大功率和特大功率场合，由于器件容量和器件频率的限制，传统的SPWM技术难以应用，CPS-SPWM技术使SPWM技术应用于大功率和特大功率场成为可能。

2.1. CPS-SPWM基本原理

CPS-SPWM在大功率场合具有明显的优势，其调制方法原理是使各三角载波相位相差，且每级H桥单元的左右桥臂使用相位相反的正弦调制波。将各个H桥单元的输出进行叠加，就能得到其输出电压波形有个电平。图1是单极倍频CPS-SPWM调制法的调制波形，可输出电平，图2是载波水平移相调制输出电压波形。

2.2. 级联式H桥APF拓扑

图3是将级联式H桥接成星形时，其N单元串联三相电路。

每相都是由N个相同的H桥单元串联组成。图4是H桥基本单元及其输出电压，其中(a)是H桥基本单元结构图，输出电压如(b)所示。

设Udc是直流侧电容电压，Uds是交流侧输出电压，S1~S4是4个相同的功率开关管，由它们组成单相全桥结构，H桥工作时通过改变S1~S4的状态及导通顺序完成。本文APF每相都是由四个H桥单元组成，H桥级联逆变器输出的总电压由各H桥电平相互错开一定的角度叠加得到。

将双极性CPS-SPWM调制应用于N单元级联H桥多电平变流器时，2N以下的载波谐波和边频以及 2NF±1次以下的低次谐波可以得到有效地消除，同H桥单元输出电压相比，输出的基波电压幅值为其N 倍，则等效开关频率为其2N倍。对CPS-SPWM进行MATLAB仿真，变流器由三个H桥单元级联而成，得到变流器的输出电压波形如下图5，输出的谐波分布如下图6所示。在此仿真中，正弦波调制波频率为50 Hz，三角载波的频率为7.5 kHz，可知谐波大体位于45 kHz附近。

经过仿真，证明了该策略传输性能较好，并且可以在较低的功率器件开关频率下实现较高的等效开关频率，克服了PWM技术在大功率场合的不足，同时说明了它是一种适用于H桥级联多电平变流器的PWM调制策略。

3. 基于三相瞬时无功功率理论的检测法 [12]

三相瞬时无功功率理论 [13] 的提出使谐波检测有了显著的提升，基于三相瞬时无功功率理论的-检测法又是在此基础上的一次显著提升。、检测法的原理图7所示，此方法需要用与a相电压相位相同的正弦信号及余弦信号，这两个信号可分别由PLL和一个正、余弦信号发生器来获得。得到、如式(1)。

当电网电压波形是标准正弦波时，由大量仿真实验验证使用以上两种方法都能准确检测出所需谐波及无功电流分量。当电网电压为非标准正弦波时，采用p-q检测法 [14] 获得的谐波有一定误差，而、

Figure 1. Carrier distribution and the carrier level phase-shift PWM modulation method

图1. 载波水平移相PWM调制法的载波分布

Figure 2. Modulation of the output voltage waveform of the carrier level phase-shift

图2. 载波水平移相调制输出电压波形

Figure 3. The main circuit of cascade H-bridge multilevel converters

图3. 级联式H桥电路主电路

(a) (b)

Figure 4. The basic unit of the bridge and the output voltage of H-bridge

图4. H桥基本单元及其输出电压

Figure 5. The simulation mode of three cascade H-bridge multilevel converters

图5. 3单元级联H桥输出电压的仿真波形

Figure 6. The harmonic distribution of three cascade H-bridge multilevel converters

图6. 3单元级联H桥输出电压谐波分布

得到的波形是精确无误差的，因此，、检测法优于p-q检测法。

(1)

针对有源电滤波器的特性，设计了与电网并联的PWM逆变器控制系统，此系统检测与控制环节引入瞬时无功功率理论，将其与PID控制策略 [15] 结合，实现并网逆变器的电压、电流双环控制 [16] 。图8为本文基于-运算法的三相谐波检测原理框图。

4. 仿真研究

本文利用计算机仿真软件，基于CPS-SPWM级联式H桥三相五电平变流器的并联APF系统进行仿真研究。在仿真中，算法选择为ode23tb，最大仿真步长设定为1e-6。为验证CPS-SPWM控制策略以及级联H桥拓扑结构的可行性，搭建了基于CPS-SPWM的级联H桥的三相并联型APF仿真模型，如图9。为实现380 V三相电网的谐波补偿，达到谐波有效、准确补偿，在仿真我们选用了三个级联H桥，参考参数如下：电网为三相对称电压源，线电压为工频电压380 V，谐波源为三相不可控整流H桥外接电阻R与电感L串联负载，其中PI调节器参数为K_p = 0.1，K_i = 0.002，R = 40 Ω、L = 2 mH，并网电感为0.40 mH，H全桥逆变器直流侧电压为150 V，开关频率为7.5 kHZ。

仿真模型如下。

其中，谐波检测算法为蓝色集成系统Subsystem，分别用基于p-q算法和基于-的三相瞬时无功算法进行仿真，得到结果是-效果更好一些。其仿真结果的主要图形如图10。

通过仿真结果表明，该APF的拓扑结构对谐波及无功电流起到很好的补偿作用，同时也证明-谐

Figure 7. Test block diagram of i_p, i_q theory

图7. i_p、i_q检测框图

Figure 8. The block diagram of three-phase harmonic detection principle of i_p-i_q theory

图8. 基于i_p-i_q运算法的三相谐波检测原理框图

Figure 9. Three-phase APF simulation model

图9.三相APF仿真模型

(a) (b) (c)(d)

Figure 10. Wave of APF in operation; (a) Voltage wave of power grid; (b) Current wave of power grid; (c) Wave of compensation current from APF; (d) The net side current wave after compensation

图10. APF工作波形图；(a) 电网电压波形；(b) 电网电流波形；(c) APF 输出补偿电流波形；(d) 补偿后网侧电流波形

波检测法是一种很好的谐波检测手段，具有实际可行性。从仿真结果得出，网侧电流经过补偿后已经非常近似正弦波形，具有相当显著的补偿效果。通过仿真图发现，网侧电流经补偿后出现的尖刺现象比较明显，出现这一现象因为，电流变化率在负载电流突变处趋于无穷大，从理论角度出发有限的开关频率并不能对该电流变化实现完全追踪，所以造成电流THD的变大。通过MTATLAB仿真，验证了该控制算法和谐波检测方法的的实际可行性，拓扑结构的合理性，对谐波以及无功电流有良好补偿作用，基本满足各项指标。

5. 结论

本文在查阅大量有关技术文献的基础上，分析和总结了APF在国内外的发展状况，并对级联式H桥APF拓扑结构及控制策略进行了分析，介绍了基于-瞬时无功功率理论及无功电流检测方法，同时研究了载波移相调制技术。对级联式H桥APF进行了仿真，掌握了基本控制方法，也证实了方案的可行性，本文主要研究成果如下：

1) 通过对APF拓扑结构进行分析，选择了级联式H桥APF拓扑结构。

2) 简要介绍了瞬时无功功率理论及无功电流检测方法，并基于-瞬时无功功率理论来进行谐波检测。

3) 对级联H桥进行详细分析，设计了基于CPS-SPWM控制策略，并用MATLAB进行了仿真，仿真的结果表明了本文所用各种控制技术的正确性。

4) 针对仿真中电压为380V的级联H桥APF进行了仿真分析，验证了控制策略的有效性及精确性。

本文对级联式H桥APF的研究取得了较大进展，但工作还不够完善，还需后续工作的跟进，因时间有限，没有做出样机，只是使用软件进行仿真验证，与实际工程中还有差距。