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摘要 非线性负载和电力电子转换器的广泛使用，使得电力系统中非正弦曲线和非周期性电流和电压的产生明显增加。无功功率补偿或控制是电力系统中用来减少电力传输损耗的的重要环节。如果给定一个调制指数，可以通过选择切换时间实现从根本上消除特定谐波的目的。然而，用此方法产生的总谐波失真（THD）也取决于调制指数。本文提出采用直流电容器电压的控制方式，使得调制指数THD最小，并详细对用于级联多电平逆变静止无功补偿的开发的具体的控制算法进行介绍。
关键词： 多电平逆变器； 静止无功发生器； 级联逆变器
中图分类号： 文献标识码：A
Abstract： The widespread use of non-linear loads and power electronics converters has increased the generation of non-sinusoidal and non-periodic currents and voltages in power systems. Reactive power compensation or control is an important part of a power system to minimize power transmission losses. Given a modulation index， the switch times can be chosen to achieve the fundamental while eliminating specific harmonics. However， the resulting total harmonic distortion （THD） depends on the modulation index. This work considers the control of the DC capacitor voltage in such a way that one can operate at the modulation index which results in the minimum THD. This paper presents the development of specific control algorithms for a cascaded multilevel inverter to be used for static var compensation.
Keywords： Multilevel Inverter； Static Var Generator （SVG）； Cascade inverter
1 引言
近年来，多级逆变器作为各种高功率和高电压应用的一种有效的解决方案而获得了大量的关注[1-2]。多级逆变器是一种电力电子器件，它通过隔离直流电源或者一系列串联的电容来改变微小电压，从而产生交流波形，多级逆变器是一个理想的连接到现有三相电网的分布式直流能量源（太阳能电池，燃料电池，风力涡轮机的整流输出）。
多级逆变器的结构已经发展到克服先前的缺点，使他们在固态器件评级上可以适用于高电压，高功率电气系统。正如参考文献[3-5]中指出，级联逆变器的优点包括：（1）有源器件的开关在（或接近）基本频率，此举大大降低了开关损耗；（2）不需要通过变压器来提供所需的电压电平；（3）因为结构的简单性和较低的组件计数，易于包装；（4）因为无需变压器，响应速度更快。
众所周知，所有电力系统都存在的一个主要问题是电力质量，尤其是具有低谐波含量，这是因为谐波对电力系统的能源效率的影响，以及它们对连接到它的设备的可靠性产生的不利的影响。由于多级逆变器的开关在基频位置，其产生的谐波比高载波频率的PWM系统的频率要低得多。所以，基于多级逆变器的静态无功补偿器的设计的主要问题是确保它的总谐波失真在允许标准范围之内。
在参考文献[1-2]中指出多级逆变器中的开关角被用来产生所需的基波电压，而同一时间内不产生高次谐波。然而，对于三电平的多电平逆变器而言，如果调制指数取值范围为1.18至2.5，并不存在任何设置可以被基本控制，且在同一时间完全消除了第5次和第7次谐波的开关角。在这项工作中，提出一项控制策略使得不同电平的直流电容器电压可以使用楼梯切换方案（其固有的低开关损耗）。
2 级联H桥
级联多电平逆变器是由一系列带有隔离直流母线的H桥（单相全桥）逆变器组成，这种多电平逆变器可以从几个独立的直流电源（SDCSs）产生接近正弦的波形电压，其中独立电源包括太阳能电池，燃料电池，电池，超级电容器等等。图1表示出了一个M-电平H桥多电平级联逆变器的单相组织。每一级由不同组合的四个开关通过连接直流电源至交流输出侧，能够产生三个不同的电压输出+Vdc，0 和?Vdc。
7 结论
本文论述了级联多电平逆变器静止无功补偿的应用，引入了一个不同电平的直流电容器电压的控制策略，使用楼梯切换方案（固有低THD）以适用于更广范围的调制指数。实验仿真结果与预测结果一致，证明了本文提出的方法的正确性。
参考文献
[1] J. Chiasson， L. M. Tolbert， K. McKenzie， and Z. Du， “A uni fied approach to solving the harmonic elimination equations in multilevel converters，”IEEE Transactions on Power Electronics， vol. 19， pp. 478–490， March 2004.
[2] J. Chiasson， L. M. Tolbert， K. McKenzie， and Z. Du， “Control of a multilevel converter using resultant theory，” IEEE Transactions on Control System Technology， vol. 11， pp. 345–354， May 2003. [3] F. Z. Peng， J. S. Lai， J. W. McKeever， and J. VanCoevering， “A multilevel voltage-source inverter with separate dc sources for static var generation，” IEEE Transactions on Industry Applications ， vol. 32， pp. 1130–1138， September/October 1996.
[4] D. E. Soto-Sanchez and T. C. Green， “Voltage balance and control in amulti-level uni fied power flow controller，” IEEE Transactions on Power Delivery， vol. 16， pp. 732–738， Oct. 2001.
[5] L. M. Tolbert and F. Z. Peng， “Multilevel converters as a utility interface for renewable energy systems，” in IEEE Power Engineering Society Summer Meeting ， pp. 1271–1274， July 2000. Seattle， WA.
[6] F. Z. Peng and J. S. Lai， “Dynamic performance and control of a static var generator using cascade multilevel inverters，” IEEE Transactions on Industry Applications， vol. 33， pp. 748–755， May 1997.
[7] L. M. Tolbert， F. Z. Peng， T. Cunnyngham， and J. Chiasson， “Charge balance control schemes for cascade multilevel converter in hybrid electric vehicles，” IEEE Transactions on Industrial Electronics， vol. 49， pp. 1058–1064， October 2002.
关键词： 多电平逆变器； 静止无功发生器； 级联逆变器
中图分类号： 文献标识码：A
Abstract： The widespread use of non-linear loads and power electronics converters has increased the generation of non-sinusoidal and non-periodic currents and voltages in power systems. Reactive power compensation or control is an important part of a power system to minimize power transmission losses. Given a modulation index， the switch times can be chosen to achieve the fundamental while eliminating specific harmonics. However， the resulting total harmonic distortion （THD） depends on the modulation index. This work considers the control of the DC capacitor voltage in such a way that one can operate at the modulation index which results in the minimum THD. This paper presents the development of specific control algorithms for a cascaded multilevel inverter to be used for static var compensation.
Keywords： Multilevel Inverter； Static Var Generator （SVG）； Cascade inverter
1 引言
近年来，多级逆变器作为各种高功率和高电压应用的一种有效的解决方案而获得了大量的关注[1-2]。多级逆变器是一种电力电子器件，它通过隔离直流电源或者一系列串联的电容来改变微小电压，从而产生交流波形，多级逆变器是一个理想的连接到现有三相电网的分布式直流能量源（太阳能电池，燃料电池，风力涡轮机的整流输出）。
多级逆变器的结构已经发展到克服先前的缺点，使他们在固态器件评级上可以适用于高电压，高功率电气系统。正如参考文献[3-5]中指出，级联逆变器的优点包括：（1）有源器件的开关在（或接近）基本频率，此举大大降低了开关损耗；（2）不需要通过变压器来提供所需的电压电平；（3）因为结构的简单性和较低的组件计数，易于包装；（4）因为无需变压器，响应速度更快。
众所周知，所有电力系统都存在的一个主要问题是电力质量，尤其是具有低谐波含量，这是因为谐波对电力系统的能源效率的影响，以及它们对连接到它的设备的可靠性产生的不利的影响。由于多级逆变器的开关在基频位置，其产生的谐波比高载波频率的PWM系统的频率要低得多。所以，基于多级逆变器的静态无功补偿器的设计的主要问题是确保它的总谐波失真在允许标准范围之内。
在参考文献[1-2]中指出多级逆变器中的开关角被用来产生所需的基波电压，而同一时间内不产生高次谐波。然而，对于三电平的多电平逆变器而言，如果调制指数取值范围为1.18至2.5，并不存在任何设置可以被基本控制，且在同一时间完全消除了第5次和第7次谐波的开关角。在这项工作中，提出一项控制策略使得不同电平的直流电容器电压可以使用楼梯切换方案（其固有的低开关损耗）。
2 级联H桥
级联多电平逆变器是由一系列带有隔离直流母线的H桥（单相全桥）逆变器组成，这种多电平逆变器可以从几个独立的直流电源（SDCSs）产生接近正弦的波形电压，其中独立电源包括太阳能电池，燃料电池，电池，超级电容器等等。图1表示出了一个M-电平H桥多电平级联逆变器的单相组织。每一级由不同组合的四个开关通过连接直流电源至交流输出侧，能够产生三个不同的电压输出+Vdc，0 和?Vdc。
7 结论
本文论述了级联多电平逆变器静止无功补偿的应用，引入了一个不同电平的直流电容器电压的控制策略，使用楼梯切换方案（固有低THD）以适用于更广范围的调制指数。实验仿真结果与预测结果一致，证明了本文提出的方法的正确性。
参考文献
[1] J. Chiasson， L. M. Tolbert， K. McKenzie， and Z. Du， “A uni fied approach to solving the harmonic elimination equations in multilevel converters，”IEEE Transactions on Power Electronics， vol. 19， pp. 478–490， March 2004.
[2] J. Chiasson， L. M. Tolbert， K. McKenzie， and Z. Du， “Control of a multilevel converter using resultant theory，” IEEE Transactions on Control System Technology， vol. 11， pp. 345–354， May 2003. [3] F. Z. Peng， J. S. Lai， J. W. McKeever， and J. VanCoevering， “A multilevel voltage-source inverter with separate dc sources for static var generation，” IEEE Transactions on Industry Applications ， vol. 32， pp. 1130–1138， September/October 1996.
[4] D. E. Soto-Sanchez and T. C. Green， “Voltage balance and control in amulti-level uni fied power flow controller，” IEEE Transactions on Power Delivery， vol. 16， pp. 732–738， Oct. 2001.
[5] L. M. Tolbert and F. Z. Peng， “Multilevel converters as a utility interface for renewable energy systems，” in IEEE Power Engineering Society Summer Meeting ， pp. 1271–1274， July 2000. Seattle， WA.
[6] F. Z. Peng and J. S. Lai， “Dynamic performance and control of a static var generator using cascade multilevel inverters，” IEEE Transactions on Industry Applications， vol. 33， pp. 748–755， May 1997.
[7] L. M. Tolbert， F. Z. Peng， T. Cunnyngham， and J. Chiasson， “Charge balance control schemes for cascade multilevel converter in hybrid electric vehicles，” IEEE Transactions on Industrial Electronics， vol. 49， pp. 1058–1064， October 2002.