电力电子系统建模与仿真学院：电气工程学院年级：2012级学号：12031236姓名：周琪俊指导老师：舒泽亮二极管钳位多电平APF电压平衡SPWM仿真报告1 有源电力滤波器的发展及现状有源电力滤波器的发展最早可以追溯到20 世纪60 年代末，1969 年B.M.Bird 和J.F.Marsh发表的论文中，描述了通过向电网注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法，这种方法是APF 基本思想的萌芽。

1971年日本的H.Sasaki 和T.Machida 首先提出APF 的原始模型。

1976 年美国西屋电气公司的L.Gyugyi 等提出了用PWM 变流器构成的APF 并确立了APF 的概念。

这些以PWM 变流器构成的APF 已成为当今APF 的基本结构。

但在70 年代由于缺少大功率的快速器件，因此对APF 的研究几乎没有超出实验室的范围。

80 年代以来，随着新型电力半导体器件的出现，脉宽调制的发展，以及H.Akagi 的基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，APF有了迅速发展。

现在日本、美国、德国等工业发达国家APF已得到了高度重视和日益广泛的应用。

由于理论研究起步较早，目前国外有源电力滤波器的研究已步入工业化应用阶段。

随着容量的逐步提高，其应用范围也从补偿用户自身的谐波向改善整个电网供电质量的方向发展。

有源电力滤波器的工业化应用对理论研究起了非常大的推动作用，新的理论研究成果不断出现。

1976 年美国西屋公司的L.Gyugyi 率先研制出800kV A的有源电力滤波器。

在此以后的几十年里，有源电力滤波器的实践应用得到快速发展。

在一些国家，已经投入工业应用的有源电力滤波器容量已增加到50MV A。

目前大部分国际知名的电气公司如西屋电气、三菱电机、西门子和梅兰日兰等都有相关的部门都已有相关的产品。

我国在有源电力滤波器的研究方面起步较晚，直到20 世纪80 年代末才有论文发表。

90 年代以来一些高等院校和科研机构开始进行有源电力滤波器的研究。

1991 年12 月由华北电科院、北京供电局和冶金部自动化研究所研制的国内第一台400V/50kV A 的有源电力滤波器在北京某中心变电站投运，2001 年华北电科院又将有源电力滤波器的容量提高到了10kV/480kV A。

由中南大学和湖南大学研制的容量为500kV A 并联混合型有源电力滤波器已在湖南娄底早元220kV 变电站挂网运行。

在近几年国内的有源电力滤波器产品已有很多应用，本文研制的两种APF都已应用于工业现场。

2 二极管箝位式多电平逆变器自从日本学者南波江章于1980 年提出三电平中性点箝位逆变器以来，多电平逆变器的拓扑结构就受到人们的普遍关注，很多学者相继提出了一些实际应用性强的多电平电路结构，主要有箝位式、级联式、层叠式等多电平逆变器，其中箝位式又包含二极管箝位式、飞跨电容箝位式和混合箝位式等结构，本文研究的对象为二极管箝位式多电平逆变器。

二极管箝位式多电平逆变器的显著特点是采用二极管对相应的开关管进行箝位，利用不同的开关状态组合得到不同的输出电压电平数。

假定输出电压的电平数为m,相位数为n，则直流支撑电容的个数为m-1,开关管个数为 2 n (m-1)，箝位二极管的个数为 2 n (m-2)。

以三相五电平为例，直流分压电容的个数为4，开关管的个数为24，箝位二极管的个数为18 个。

三相二极管箝位式五电平逆变器的主电路如图1-1 所示。

图1-1 三相二极管箝位式五电平逆变器主电路对于多电平变换器来说，若其电平数为M，则它的直流侧需要（M-1）个分压电容，输出相电压的电平数为M，输出的线电压电平数为（2M-1）。

二极管箝位位式三相五电平逆变器结构如图1-1所示。

图1-1中E为直流侧电源，C1，C2，C3，C4为个直流侧箝位电容，把直流侧电压分为五个部分。

图中S41、S42…S47、S48共8个IGBT串联组成一个桥臂，S51、S52…S57、S58这8个IGBT组成一个桥臂，S61、S62…S67、S68组成一个桥臂，这三个桥臂的中点引出变换器交流侧的三相电压。

从图中可以看出三相五电平变换器电路的每一个桥臂有8个IGBT组成，这8个IGBT又可以分为4对对管，例如第一个桥臂中S41和S45，S42和S46，S43和S47，S44和S48。

每一个对管中的两个IGBT不能同时导通，否则会造成短路，正常工作时对管的开关状态互补。

下面以第一个桥臂为例研究变换器多电平输出时各个开关的状态。

以表1-1为例，每一个桥臂输出分为V0，V1，V2，V3，V4时，对应的8个IGBT开关状态。

表中“1”表示导通状态，“0”表示关断状态。

表1-1 输出电平电压和开关管的状态开关状SV1 SV2 SV3 SV4 SV5 SV6 SV7 SV8 态V0 0 0 0 0 1 1 1 1 V1 0 0 0 1 1 1 1 0 V2 0 0 1 1 1 1 0 0 V3 0 1 1 1 1 0 0 0 V4 1 1 1 1 0 0 0 03 多电平变换器的PWM控制方法多电平变换器脉宽控制技术(Pulse width Modulation，PWM)是用一种以正弦波参考波作为调制波，以N倍于调制波频率的三角波为载波，由于三角波的上下限是线性变化的，所以通过调制波与载波进行比较，调制波大于载波的部分可以得到一组幅值相等，宽度正比于调制波的矩形序列脉冲，用开关量取代模拟量，通过开关管的通断，把直流电能变换成交流电能。

我们通常把这种控制技术称为PWM控制技术。

多电平变换器的PWM控制方法主要分为三个大类：载波调制PWM控制法，空间电压相量调制（SVPWM），消除特定谐波PWM控制法。

载波调制法又分为载波移相、开关频率优化、阶梯波EPWM、载波层叠法和分段载波层叠法等五种。

不同的电路结构和要求，就需要不同的PWM控制法。

空间相量控制法不适合于五电平以上的多电平逆变器，以为此时电路会非常复杂。

二极管箝位式电路多采用载波层叠法和开关频率优化法，下面我们以载波层叠法来完成二极管箝位式的PWM控制。

对M电平变换器来说，利用(M-1)个频率相同，幅值相等的三角波与一个正弦波进行比较，（M-1）个三角波对称分布在参考量的正负两侧根据正弦调制波与各个三角波的比较结果输出不同的电平，并决定相应的开关管的开关状态。

以五电平为例，就需要4个频率、幅值相同的三角载波和一个正弦波进行比较，4个三角波的总幅值要大于等于正弦波的幅值，否则载波层叠PWM法就没有意义。

下图3-1所示，以五电平为例，正弦波与各个三角波进行比较时，当正弦波的幅值大于某个三角波的幅值时，就令相应的IGBT管导通，否则关断。

V0，V1，V3，V4为4个频率，幅值完全相同的三角载波，电压依次升高，但中间不间断，V2为正弦调制波。

图3-1 五电平层叠PWM对IGBT编号为1和5的开关管进行PWM控制，三角波V4与调制正弦波相比较，当正弦波电压高于三角波时，PWM1输出高电平，IGBT管S41导通，相应的S41的对管S45截止。

反之，当三角波高于正弦波时，PWM1输出低电平，开关管S41截止，对管S45导通。

从而完成PWM控制。

下图3-2即为开关管S41和S45的PWM控制。

图3-2 正弦波与三角波进行比较对IGBT编号为2的开关管进行PWM控制，三角波V3与正弦波进行比较，当正弦波电压高于三角波时，PWM2输出高电平，IGBT管S42导通，相应的S42的对管啥S46截止。

反之，当三角波高于正弦波时，PWM2输出低电平，管S42截止，对管S46导通。

对IGBT编号为3和4的开关管进行PWM控制，三角波V1和V0分别与正弦波进行比较，当正弦波电压高于三角波时，输出高电平，IGBT 管导通，相应它们的对管截止。

反之，当三角波高于正弦波时，输出低电平。

通过上述过程，从而完成一个桥臂的PWM 控制，图3-3为PWM 控制状态和对应的输出波形图。

图3-3 一个周期的开关状态及输出的电压波形下图3-4为STATCOM 仿真时的A 相层叠PWM 法控制波形图。

0.1450.150.1550.160.1650.17-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81Time(s)层叠P W M 调制(V )图3-4 五电平STA TCOM 仿真单相层叠PWM 调制波形在层叠PWM 控制法中，三角波的频率与幅值通常是固定的，正弦波的幅值与三角波信号的幅值之比称为幅值调制比，用M 表示，通称为调制度。

M 的值在0-1之间时，逆变器输出电压的基波分量与M 成线性关系，当M 大于1时，脉冲宽度就不会按照正弦规律进行变化，这种情况称为过调制。

4 直流侧电容电压不平衡的原因及危害二极管箝位式STATCOM 的主要组成部分为三相多电平变换器，变换器的交流侧通过连接电抗器或者变压器与电网相连，直流侧根据电平数M 的数值，连接M-1个电容，它们起到承载逆变器输入的纹波电流，支撑直流侧电压的作用，多电平的输出就是通过连通不同的电容，达到输出的电压不同。

直流侧电容的另一个作用是为电压型变换器提供一个稳定的直流电压源，为系统提供稳定的直流电压和少量的有功功率，以补偿系统的有功损耗。

4.1 直流侧电容电压不平衡的原因当二极管箝位式多电平变换器在传递有功功率时，每个直流侧电容充放电的时间会有所差异，这就造成它们之间的电压不平衡，从而导致输出的电压产生畸变，甚至得不到期望的输出电平数。

所以，怎么解决直流侧电容电压不平衡问题，是多电平STATCOM 的广大研究者必须面对的。

下图2-12即为二极管箝位式五电平交直交电路，a u 、b u 、c u 为三相交流电源， C1，C2，C3，C4为直流侧电容，其左侧为整流电路的三个桥臂，电容的右侧为逆变电路，电流in i 和out i 为流进流出电容的电流，通过这几个电流的流向讨论直流侧电容的电压值。

S41S42S43S44S45S46S47S48D41D42D43D45D44D46S51S52S53S54S55S56S57S58D51D52D53D55D54D56S61S62S63S64S65S66S67S68D61D62D63D65D64D66L1整流电路C1C2C3C4S11S12S13S14S15S16S17S18D11D12D13D15D14D16S21S22S23S24S25S26S27S18D11D22D13D25D24D26S31S32S33S34S35S36S37S38D31D32D33D35D34D36L2L3直流侧电容M Load i in5i in4 i in3 i in2 i in1 i out5 i out4 i out3 i out2i out1 逆变电路u a u bu c u aV5V4V3V2V1图4.1 二极管箝位式五电平交直交电路有功情况下电压和电流同相位，电流5in i 工作时图4-2，电压和电流都为正，电压V5升高，无功时电流和电压相差90度，在输出电压为V5的时间内，前半部份电流为正，后半部分电压为负，相互抵消，所以V5的值不变。