应用STS-SVM级联逆变器于APF电力滤波系统中

由于STS-SVM具有良好的谐波传输特性和相当大的传输带宽，将STS-SVM逆变器应用于有源滤波系统具有很多优点。表现在各逆变器单元工作状态平衡对称，并且直流侧相互独立，因而容易实现直流侧电压均衡。在调制上，装置的等效开关频率比器件实际开关频率提高2N倍（N为单元级数），交流侧电感可以大大降低。不仅降低了装置的体积和成本，而且有助于改善APF系统的动态响应。另外，由于单元串联型多电平逆变器不需要通过变压器就可以直接与电网并联，对于提高装置的容量有很大的潜力。三相单元串联型多电平逆变器的交流侧既可以接成型也可以接成△型。图6-27所示为单元串联型APF的拓扑结构。通过MATLAB软件构造了APF仿真系统，其原理框图如图6-28所示。APF仿真系统由3部分构成：点画线框①中为无功和谐波电流检测部分；点画线框②中为电流PI控制调节部分；点画线框③为指令电流产生电路。指令电流产生电路的主电路结构采用图6-28所示的三相级联型多电平逆变器结构，取级联数目N为6，共有单相全桥逆变器单元18个，开关器件数目为72个。逆变器通过由电感构成的滤波器并入电网，滤波器的截止频率为20kHz。各逆变器单元采用单一零矢量不连续开关调制比K为24，器件的开关频率为800Hz减少开关损耗1/3，逆变器总的输出电压等效开关频率为14.4kHz。

图6-27 串联型APF的拓扑结构

图6-28 APF仿真系统框图

采用3级联型逆变器STS-SVM技术的APF系统有效地抑制无功和谐波电流，同时具有以下主要优点：

1）开关器件工作频率较低，提高了系统的等效开关频率，增加了整个变流器的传输带宽，提高了APF对高次谐波的补偿能力。等效开关频率的提高可以降低交流侧电感的取值。

2）由于采用了直流侧相互独立的结构，直流侧均压反馈容易实现。同时也避免了变压器的使用，使得APF系统可以直接与电网并联。

[注1]共模电压概述

变频器在运行时不仅存在输出输入谐波问题，还存在共摸电压问题。所谓共模电压，是一种零序性质的电压。如图6-29所示，当电机中性点接地时，它就是逆变器输出点与地之间的零序电压值；当电机中性点不接地时，共模电压值还必须在以上基础上，再加上中性点与地之间的电压值。这种共模电压的特点是，共模电压是谐波电压，脉动频率是开关频率的倍数；逆变输出共模电压幅值大小与直流中间电压成正比，而且也与输出状态有关；整流共模电压与输入电压幅值成正比，大约为输入交流电峰值的40%。如果整流和逆变部分都有共模电压时，电机绕组所承受的共模电压为这两者之和。这些电压会威胁电机和连接电缆的绝缘，同时还会产生轴电流，最终造成电机的损坏。此外还产生电磁干扰造成对周围电气设备影响。

图6-29 共模电压

目前减小或消除共模电压的措施如采用隔离变压器，采用扼流圈或者附加电路进行消除，但是这些方法需要增加硬件设备，也增加了装置体积和复杂性，并且应用于不同对象时，器件及参数都需要重新设计。因此一些改进的SVPWM控制方法被用来消除共模电压，它们不需要额外硬件装置且实现灵活。(www.xing528.com)

[注2]一单元级联型逆变器

如图6-30所示。这种逆变器如果按表6-3所示开关动作，可得到三个电平U_d，0，-U_d，故此实际上是一个三电平逆变器。

图6-30 一单元级联型逆变器

表6-3 开关状态

注：X为1或2；0状态有两种开关组合。

[注3]载波移相SVM技术

载波移相SVM技术（PSSVM技术）是从载波移相SPWM技术引进来的，载波移相SPWM技术的基本思想是：在逆变器单元数为N的电压型组合逆变器中，各单元采用共同的调制信号s_m，频率为w。各逆变器单元三角载波频率为K_cw，将各三角载波的相位相互错开三角载波周期的1/N，则逆变器输出电压如图6-31所示，谐波分量大为减少，从而可以相应减小了滤波器的容量，降低成本。同时因其等效开关频率高，传输带宽，可以引入各种先进的控制策略，优化整个系统性能指标。级联型（功率单元串联型）逆变器SVPWM引入载波移相技术之后，称为载波移相SVM技术（PSSVM技术），也能收到同样的效果。

图6-31 载波移相原理