H桥级联型多电平高压调速系统低速畸变补偿控制技术

南京工程学院电力工程学院、清华大学智能技术与系统国家重点实验室、上海电气集团输配电有限公司、国网江苏省电力公司电力科学研究院的研究人员张亮、陈国栋、朱纪洪、袁宇波、水恒华，在2017年第22期《电工技术学报》上撰文指出，H桥级联型多电平高压交流调速系统在低转速运行工况下，变频器处于低幅值调制比逆变状态，加之死区效应等非线性因素影响，导致变频器自身输出电压会出现严重畸变。

针对这个问题，提出一种含定子电流畸变补偿的复合矢量控制技术，并详细介绍含畸变补偿矢量控制技术的设计原理与应用过程，包括转速变化情况下的电动机定子电流的谐波分量提取，以及畸变校正补偿的具体实现。同时，利用最小二乘法，推导出一种基于PID的时滞补偿器以改善系统响应输出特性。最后，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型进行仿真研究，并在搭建的小型样机平台上进行试验验证，效果良好，仿真与试验结果证明了所提方法的有效性。

级联型多电平变换器[1-4]应用于高压大功率交流传动系统时，考虑到额定工况下逆变器输出电压为正弦度良好的多电平阶梯波，故变频器输出端可不经滤波器而直接连接至电动机。然而，当电动机以较低转速运行时，变频器的输出电压幅值很小，此时，逆变侧变换器处于低幅值调制比状态，其输出是一系列间隔错开的两电平方波序列，而非正弦度良好的多电平阶梯波，波形的谐波畸变率大[5]。

同时，死区效应以及开关管的非理想特性也会加剧输出电压的畸变。倘若将含有大量谐波成分的输出电压直接作用于电动机，会引起电动机电流的严重畸变。而对于电动机来说，低次谐波电流将会增加其功率损耗，促使绕组发热，进而加剧电动机的参数漂移和转矩波动等问题，高次谐波电流则还会引发电磁干扰等不利情形。

目前的补偿技术有直接型和间接型两种。直接补偿技术是指从源头来改善逆变器输出电压的畸变，诸如特定谐波消除PWM技术、电流反馈型死区补偿技术之类。其中，特定谐波PWM消除技术[6]在具体应用时，需要求解超越方程，较为繁琐；而电流反馈型死区补偿技术[7,8]，则需要实时判断电动机定子电流的极性，来调整逆变环节的开关状态，对于级联型多电平逆变器来说，功率器件的开关状态组合往往十分复杂，因而，该方案实现起来也并非易事。

间接补偿技术则是指从作用对象出发，从负载侧加以解决，即针对负载的电流畸变给予相应补偿。容易想到的办法是在使用电流环PI调节器的同时，增加新的控制策略，诸如比例谐振（PR）控制器[9-11]、重复（RP）控制器[12-15]等。

其中，PR控制器的实质是谐波的分次抑制，具体程序会占用较多资源，或者说对于资源有限的数字控制系统来说，能够实际设计的补偿次数将十分有限；而重复控制则在复杂工况下往往容易发生振荡现象。

本文在转子磁链定向矢量控制策略基础上，为降低电流转矩脉动，增加电动机电流谐波分离与补偿环节。该方法以当前转速下的电动机定子电流正弦度为目标，采用瞬时无功理论在线快速提取异步电动机定子电流的谐波分量，并将之抵消补偿，同时，利用最小二乘法，推导出一种基于PID的时滞补偿器来改善系统响应输出特性。最后，为对所提方案进行有效验证，本文在Matlab/Simulink中搭建详细模型，开展补偿前与补偿后的系统对比仿真研究。

与此同时，搭建样机试验平台，并开展相关试验研究，试验结果表明采用补偿算法后的电机电流脉动分量显著减小，有效验证了所提方法的正确性。

图8 级联型高压变频器的样机平台

结论

工程上电动机低转速运行场合，高压变频器的逆变环节处于低幅值调制比状态，再加上死区效应等非线性因素的影响，变频器自身输出电压往往会出现严重畸变，仅依靠PI控制器的闭环调节是无法抑制该畸变的。

本文提出一种含定子电流畸变补偿的自适应复合矢量控制技术，并详细介绍了含畸变补偿矢量控制技术的设计原理与应用过程，包括转速变化情况下的电动机定子电流的谐波分量提取，以及畸变校正补偿的具体实现，同时，利用最小二乘法推导出一种基于PID的时滞补偿器以改善系统响应输出特性。最后，为检验所提算法的正确性，在Matlab/ Simulink中开展了仿真研究，并进一步搭建了样机实验平台进行了试验。

仿真与样机试验结果均表明本文所提出的含输出畸变补偿复合矢量控制技术，能够有效降低电动机低速运行时的定子电流畸变和电磁转矩的脉动问题。所提方法物理意义明确，工程应用设计方便，具有一定的实用性。