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YXPEP-CHB基于模型控制级联H桥多电平无功补偿系统

随着现代电力电子技术的快速发展,高压大功率应用中的多电平变流器技术日益受到关注。特别地，载波相移级联H桥型多电平（CascadedH-bridge，CHB）变流器因其独特的拓扑结构和控制策略，在电能质量改善、电网谐波抑制以及新能源并网等方面展现出广泛的应用前景。该技术不仅结合了载波相移技术和级联H桥型多电平变流器的优势，还通过低次谐波的相互抵消实现了较高等效开关频率的效果，从而提高了电能质量和系统的动态响应能力。

关键词：

变流器

多电平变流器

电网谐波

新能源并网

谐波变流器

所属分类：

级联H桥多电平无功补偿系统

YXPEP系列实证平台

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产品描述

背景

载波相移级联H桥型多电平变流器的基本原理在于，通过多个H桥级联并采用载波相移技术，使各H桥输出波形在时间上错开，从而实现多电平输出。这种拓扑结构不仅简化了电路设计，而且提高了系统的传输频带宽和动态响应能力。同时，通过优化调制策略，可以进一步降低谐波含量，提高电能质量。

在有源电力滤波器中的应用中，载波相移级联H桥型多电平变流器发挥了重要作用。有源电力滤波器是一-种用于动态补偿电网谐波和无功功率的电力电子设备，其关键在于快速准确地检测电网中的谐波和无功电流，并产生相应的补偿电流。通过将载波相移级联H桥型多平变流器应用于有源电力滤波器中,可以实现对电网谐波的高效补偿，提高电能质量，为电力系统的稳定运行和新能源的并网提供有力支持。

装置组成

图2系统拓扑图

图2为装置总拓扑图，主要由级联H桥模块、研旭SP6000控制器、电压电流采集器、电抗器、传感器、接触器以及监控分析软件组成。SP6000控制器主要用于控制变流器注入宽频带谐波电流，采集器将端口三相电压、电流采集后送给监控分析软件。

配置组成：

1.1 快速原型控制器SP6000/高性能DSP控制器C6000
1.2 YXPHM-MMCFB01半桥/全桥子模块
1.3 开放式机箱/封闭式机箱
1.4 组柜与配电
1.5 Simulink控制模型
1.6 YXACS回馈式源载一体交流电源（选配）

1.7 采用快速原型控制器SP6000/高性能DSP控制器C6000同时控制多个H桥子模块，采用YXPHM-MMCFB01子模块搭建的单/三相MMC变流器，其最大功率和电压等级为20kW/380V，每相含子模块个数为N≥4。

选配高精度回馈式源载一体交流电源，组成联合测试系统，可模拟各种谐波，方便做各类测试实验。

设备介绍

快速原型控制器SP6000

研旭公司推出的YXSPACE产品系列，能够将用户设计的图形化的高级语言编写的控制算法（Simulink）转换成DIDO、AIAO量，完成实际硬件控制。同时通过YX-VIEW6000监控组态软件，对控制器进行实时监控，从而完成模型的调试与验证。其基本控制框图如下所示：

YXPHM-MMCFB01半桥/全桥子模块

YXPHM-MMCFB01是一款单相H桥功率模块，可单独使用或组成复杂系统，提供光纤和网口两种数据传输方式。内部使用大量隔离芯片以及抗干扰处理，提高了数据传输的可靠性。功率模块内部集成了栅极驱动电路、PWM硬件死区电路、模拟量采样以及硬件保护功能，高度集成的硬件功能使得该模块非常适用于构建复杂的多级功率拓扑。CPLD芯片对所有的数字信号进行逻辑处理，保证功率模块的处于安全操作范围内。

典型应用：

模块化多电平变换器(MMC);

H桥级联系统(HCB)；

双有源桥(DAB)；

关键参数：

600V最大母线电压

30A最大交流电流

600V/50AIGBT

50kHz最大开关频率

800ns硬件死区

4光纤输入/1光纤输出

1网口输入/1网口输出

2路/4路PWM选择

电压/电流采样

软关断保护

过压/过流/过温/短路保护

功能框图：

YXPHM-MMCFB01功率模块基本功能框图如图所示，可以实现DC/AC双向变换的功能。外部PWM驱动信号通过4路光纤或者4路光耦给到逻辑芯片CPLD，以实现控制电路与功率电路的电气隔离。功率模块中集成了过压保护、过流保护、过温保护以及短路保护4种保护功能，所有的保护均能够封锁PWM驱动信号，同时也会通过光纤或者光耦将故障信号反馈给外部控制器。

在大多数的应用案例中，可配合SP6000快速原型仿真器更方便的实现算法验证，极大的缩短了开发周期。

保护功能：

功率模块集成的所有保护功能均由硬件电路实现，提高了保护的可靠性。通过对模拟量的实时采集，并由比较电路做出判断，超过设定阈值之后会触发故障信号标志位，故障标志位通过光耦送到CPLD逻辑芯片，CPLD内部对故障信号进行锁存并忽略外部PWM驱动信号，同时会产生一个总的故障反馈信号。为了降低对外部控制器IO口资源的占用，模块内部搭建自复位电路，可实现故障信号标志位清除后对模块的重新控制。

YXACS回馈式交流源载一体模拟器

研旭YXACS系列大功率回馈式交流源载一体电网模拟器采用全数字控制技术，输出功率可达正负15kVA-600kVA，输出电压范围0~350Vrms，输出电流可达到正负50~500Arms，输出具有交流电源和负载特性，可运行于四象限方式，输入具有主动PFC功能，可输出功率，同时待测设备能量可回馈至电网，具有高效、绿色、环保的特点。YXACS系列电源具有回馈式交流电源、各类交流交流负载功能，采用7英寸彩色液晶显示器和简洁的键盘设计，用户可对YXACS系列回馈式交流源载一体电网模拟器的功能和参数进行设置和调节。

Simulink控制模型

算法详述：

谐波发生算法包括顶层功率控制、中间均压控制以及底层谐波控制。

谐波变流器的输入电流经过dq坐标系变换，得到输入电流 d 轴分量和 q 轴分量。谐波变流器的输入电压经过 dq 坐标系变换，得到输入电压d 轴分量和 q 轴分量。谐波变流器一簇的直流侧总电压与给定值的误差经比例积分（PI）控制器计算生成电流环的d 轴电流给定信号。误差经PI控制器的值作为电压外环 d 轴的输入信号，再叠加UsdUrdωIqI∗qrefUsqUrqUrdUrqU∗dcrefu1rq 轴耦合电压，最终得到谐波源 d 轴有功电压的输出信号，为电网电压角频率，由电网电压经过锁相环环节得到。与q 轴给定电流的误差经 PI 控制器的值作为电压外环q 轴的输入信号，再叠加 d 轴耦合电压，最终得到谐波源 q 轴电压的输出信号。和经 dq坐标系反变换，再通过均值归算，除以之后得到顶层调制波。顶层功率控制策略如图3所示。

图3顶层功率控制

谐波发生器由三相H桥级联组成。各模块的直流电容彼此独立，必然会出现三相之间，以及相内子模块功率损耗不同而出现的相间以及相内子模块直流侧电压不均衡的问题。谐波发生器直流侧有功功率的改变量为Pck=Pabsorbk−Plossk=Cuckduckdt（11）PabsorbkPlosskPck式中：为第k个 H 桥模块吸收的有功功率，W为第k个 H 桥模块损耗的功率，W 为第k个H桥模块工作时的改变量，W。Pabsorbk=UkIncosθk（12）UkInθk式中：为第k个H桥模的交流侧电压，V为H桥的输入电流A为交流侧电压与输入电流的夹角。Ukθk当H桥的输入电流不变时，通过改变直流电容吸收的有功功率即可改变和，进而可调节子模块的直流侧电压以达到相间、相内均衡。均压控制策略如图4所示。Udcsum_kU∗dcic通过比较某一相直流侧的总电压与给定值的误差，经PI控制环节，乘以输入相电流的符号，再除以单相谐波变流器直流侧参考U∗dcudcave电压，得到相间均压调制波r。相内模块均压控制原理与相间均压控制原理相同。当直流侧的总电压低于给定值时，需吸收有功功率，补偿直流侧电压。相反，当直流侧的总电压高于给定值时，需要消耗有功功率，损耗直流侧电压。均压控制的引入，使得谐波变流器的交流侧输出电压不受直流侧电压的制约，获得纯净的谐波电流。

图4中间均压控制

底层谐波控制用于发生特定频次的谐波调制波叠加于总调制波。谐波发生给定信号由 h 次谐波正弦信号产生，ABC 三相谐波发生参考电压互差120°。当发出正序谐波扰动时 ABC 三相依次滞后120°；当发生负序谐波扰动指令时，ABC 三相依次超前120°。给定信号乘以对应的幅值，再经过均值归算除以单相谐波变流器直流侧参考电压之后，通过开关控制作为谐波发生给定调制波叠加到总调制波。底层谐波控制如图5所示。