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［摘 要］ 研究了基于脉冲阶梯调制技术(PSM)和电压电流双闭环反馈技术的级联逆变器。脉冲阶梯调制(PSM)技术是将脉宽调制(PWM)技术与阶梯调制(SM)技术相结合，是高电压、大功率电源系统中的一种重要的调制技术。采用电流反馈可以有效地抑制负载电流的扰动，电压反馈能及时、快速地校正输出电压波形。仿真结果表明，采用电压电流双闭环反馈技术的PSM级联型逆变器的输出波形特性好，具有优良的稳态和动态性能。
［关键词］级联逆变器 脉冲阶梯调制(PSM) 电压电流闭环 高电压大功率
1 引言
脉冲阶梯调制技术(Pulse Step Modulation—PSM)是将脉宽调制技术(PWM)与阶梯调制技术(SM)相结合，应用在高压大功率电源系统中的一种重要的调制技术，最早是由瑞士的W.Schminke于1985年在BrownBoreri Rev.72上提出的。目前，PSM技术主要应用于直流电源系统中，例如高功率广播发射机、加速电源、NBI(Neutral Beam Injeelion)和ECRH fElectronCyclotrofl Resonance Heating)系统。
级联型逆变器输出具有串联特性，很容易实现高压大功率输出，而且控制相对简单，不需要考虑开关器件串联均压的问题，另外可以实现模块化结构。级联型逆变器广泛应用于高电压的电动机驱动、大功率电源、大功率有源电力滤波等场合。本文研究采用PSM技术和电压电流双闭环反馈技术控制的逆变器，可以使逆变器具有优良输出波形和稳态动态性能。
2 PSM级联型逆变器电路和控制原理
2．1 基本结构
PSM级联型逆变器电路如图1所示，4个逆变桥的结构和参数完全一致，且输入的4路直流电源是相互隔离的，实际控制中4个桥的控制信号可以互换，这正是级联方案容易实现逆变器模板化的原因。
级联型逆变器的调制方法主要包括阶梯波调制法、多载波SPWM、相移SPWM和空间矢量调制。下面主要介绍级联型逆变器中的一种新的调制方法——脉冲阶梯调制(PSM)。
2．2 工作原理
脉冲阶梯调制(PSM)是将阶梯波调制(SM)与脉冲宽度调制(PWM)相结合的一种新颖的调制方法。第1个模块工作在PWM模式，第2～4个模块工作于SM模式。逆变器工作分为正半波工作过程和负半波工作过程，考虑到工作在SM模式下的各单元模块的功率均衡问题，使工作在SM模式下的各单元模块在一个周期内工作时间一致或基本一致，可使2～4模块在正半波时按从2到4的顺序依次开通而在负半波时按从4到2的顺序依次开通，如图2所示。
假设每个模块单元的输入直流电压均为‰，则PSM单相级联型逆变器的输出电压为
uo=(i-1)UDC+aUDC式中i－任意时刻参与工作的模块数：
a－PWM波的瞬时占空比。
图3为PSM输出电压与SM输出电压波形。首先利用阶梯波调制方法得到工作在SM方式下的各H桥变换器(通常工作在单极性模式下)的控制信号，再用正弦波(调制波)减去工作在SM方式下的各H桥变换器的控制信号，将该波形(图3b)与三角波(载波)进行调制得到的PWM波，即工作在PWM模式下的H桥变换器的控制信号。如果级联逆变器中每个桥都是用两个频率、幅值相同、相位相反的调制波和载波三角波交截产生两个控制信号，分别加在逆变桥的两个上管，下管和上管互补导通，那么逆变桥的等效载波频率为载波频率的两倍，这样可以在不提高开关频率条件下，使整个逆变器的等效开关频率提高一倍。
图3 PSM输出电压与SM输出电压波形
阶梯调制模块导通角的计算
由图3可知：2～4模块对应的开关的起始导通角ai[i=1～3]的值，即为该模块对应的阶梯电压与正弦电压幅值相等的时刻，故可以用下式计算导通角θi的值。
2．3 系统的闭环控制方案
级联逆变器应用电压电流双闭环控制方案，控制框图见图4。从控制框图看出，输出电压和基准正弦波Uref的瞬时值误差形成调节信号，通过PI调节后作为电流基准Itef，电流基准Itef和输出电流比较的误差信号经过电流调节器放大后，和载波三角波比较产生SP-WM开关信号。
从控制理论角度看，电流反馈可以将负载电流的扰动包含在电流环的前向通道上，从而将其有效地抑制。电压外环反馈能及时、快速地校正输出电压波形，在各种负载情况(包括非线性负载)下，都能使输出电压准确地跟踪基准正弦波。所以带非线性负载时，由于整个系统的优良动态输出特性，输出电压波形仍然具有好的正弦性。
3 仿真实验及结果分析
仿真逆变器参数为：输入4路隔离的100V直流电源，输出滤波参数为L=2mH,R=31ll，突加突卸阻性负载3lΩ，三角载波的频率为20kHz，幅值为100V，调制波频率为50Hz，仿真算法为ode15。控制参数为：Kuf=1，Kif=0.1，Ku=20,τ=0.25ms,Ki=20，Kuf、Kif分别为电压电流反馈系数；Ku、τu分别为电压环放大倍数和积分时间常数；Ki为电流放大倍数。
图5系统闭环桥臂输出仿真波形及频谱分析
从仿真图可以看出。输出为最大值311V(有效值220 V／50Hz)的交流电压，电压波形具有很好的正弦性，输出电压波形的总谐波含量(THD)在0.28％左右。三角载波的频率为20kHz，逆变器的等效开关频率为40kHz，可知最低次谐波群的中心频率400次。图5d给出的输出电压谐波谱图表明输出电压的谐波主要集中在400次左右，可见仿真和理论分析基本一致。
图6逆变器突加突卸阻性负载时的电压和电流波形
图6为PSM逆变器突加突卸阻性负载时的电流波形，在突加突卸负载时系统的输出电压几乎没有什么变化，可以看出采用了电压电流双闭环反馈技术后，PSM级联逆变器具有良好的稳态输出波形、动态响应特性以及很好的非线性负载能力。
4 小结
在讨论级联型逆变器的基础上，提出将PSM技术和电压电流双闭环反馈技术引入高压级联型逆变器，仿真结果证明了控制方法的可行性。电压电流双闭环控制PSM级联逆变器的优点如下：电路结构简单，控制方法简便，适合用于高压大功率场合，系统具有良好 的稳态输出波形、动态响应特性以及很好的非线性负载能力。
事件2(d)：(0.88×0.714×5×24／8760)×1045=0.99MW·h
总计：527.48MW·h
可以看出，方案2优于方案1，因为方案2的总期望缺供电量指标较方案1低了近10.5％。
由此可见，即使是非常简单的情况，通过定性分析来选择维修方案也是相当困难的任务，而定量风险评估可以清晰地提供维修方案之间的比较。可靠性为中心的设备维修提供了有效的量化分析工具。
6 在云南电网公司开展RCM项目研究的方向
6．1 可以选择的研究目标(重点针对主要设备，例如主变、断路器
(1)维修计划软件系统模型、算法和程序：
(2)修改维修计划数据自动连续整合技术和软件系统：
6．2 可以选择的研究内容
(1)失效模式识别技术：这是分析维修对失效率影响的关键。可提供设备的失效分类模工。
(2)失效率和失效前时间估计方法：用以进行维修对降低失效率和失效前时间的影响分析，取得维修效果量化信息，作为进一步资源最优化研究的依据，
(3)重新调度方案的风险降低预估：用以进行对预想故障(相应于维修主要元件时的系统拓扑和运行方式)的安全评估。
(4)中期维修计划安排决策：建立了进行输电维修方案选择和计划安排的算法和相应的应用件。这个软件计及了资金预算和维修人力的时间约束(例如1年)，从而可优化这些资源的利用效果。
(5)长期维修计划：研究监测和维修变压器及断路器的长期规划方法。其结果给中期计划安排提供一个作为输入的参选方案表，
(6)数据统计整合管理系统：挖掘师有数据，补充需要的新数据，适应维修分析过程以及信息查询和交换要求，建立相应的数据整合管理系统(数据库)。
(7)今后还可考虑研究建立相应的资产管理软件系统。
7 所需的相关配套技术
设备状态在线监测，为RCM提供基础数据和技术依据。以变压器在线监测为例，其提供的信息可进行以下分析：
(1)运行状况：确定运行载荷。
(2)预防故障：进行变压器状态估计，检测异常状况，启动防止紧急故障发生的措施。
(3)维修保障：估计变压器状态，当降额运行时启动维修；辅助制定维修计划；推断更多同类型变压器的状态。
(4)寿命评估：估计变压器状态，确定其剩余寿命：检测异常运行状况。
(5)优化运行：估计变压器的功能状态，提高或最大化变压器的效率(按状态而不是按名牌容量带负荷)。
(6)投运试验：确定正确的安装调试条件：估计变压器状态，改善验收试验的效果和效率：自动收集和保存基本状态的数据和特征。
(7)失效分析：通过变压器发生的失效监测，提供失效机理分析信息。
［关键词］级联逆变器 脉冲阶梯调制(PSM) 电压电流闭环 高电压大功率
1 引言
脉冲阶梯调制技术(Pulse Step Modulation—PSM)是将脉宽调制技术(PWM)与阶梯调制技术(SM)相结合，应用在高压大功率电源系统中的一种重要的调制技术，最早是由瑞士的W.Schminke于1985年在BrownBoreri Rev.72上提出的。目前，PSM技术主要应用于直流电源系统中，例如高功率广播发射机、加速电源、NBI(Neutral Beam Injeelion)和ECRH fElectronCyclotrofl Resonance Heating)系统。
级联型逆变器输出具有串联特性，很容易实现高压大功率输出，而且控制相对简单，不需要考虑开关器件串联均压的问题，另外可以实现模块化结构。级联型逆变器广泛应用于高电压的电动机驱动、大功率电源、大功率有源电力滤波等场合。本文研究采用PSM技术和电压电流双闭环反馈技术控制的逆变器，可以使逆变器具有优良输出波形和稳态动态性能。
2 PSM级联型逆变器电路和控制原理
2．1 基本结构
PSM级联型逆变器电路如图1所示，4个逆变桥的结构和参数完全一致，且输入的4路直流电源是相互隔离的，实际控制中4个桥的控制信号可以互换，这正是级联方案容易实现逆变器模板化的原因。
级联型逆变器的调制方法主要包括阶梯波调制法、多载波SPWM、相移SPWM和空间矢量调制。下面主要介绍级联型逆变器中的一种新的调制方法——脉冲阶梯调制(PSM)。
2．2 工作原理
脉冲阶梯调制(PSM)是将阶梯波调制(SM)与脉冲宽度调制(PWM)相结合的一种新颖的调制方法。第1个模块工作在PWM模式，第2～4个模块工作于SM模式。逆变器工作分为正半波工作过程和负半波工作过程，考虑到工作在SM模式下的各单元模块的功率均衡问题，使工作在SM模式下的各单元模块在一个周期内工作时间一致或基本一致，可使2～4模块在正半波时按从2到4的顺序依次开通而在负半波时按从4到2的顺序依次开通，如图2所示。
假设每个模块单元的输入直流电压均为‰，则PSM单相级联型逆变器的输出电压为
uo=(i-1)UDC+aUDC式中i－任意时刻参与工作的模块数：
a－PWM波的瞬时占空比。
图3为PSM输出电压与SM输出电压波形。首先利用阶梯波调制方法得到工作在SM方式下的各H桥变换器(通常工作在单极性模式下)的控制信号，再用正弦波(调制波)减去工作在SM方式下的各H桥变换器的控制信号，将该波形(图3b)与三角波(载波)进行调制得到的PWM波，即工作在PWM模式下的H桥变换器的控制信号。如果级联逆变器中每个桥都是用两个频率、幅值相同、相位相反的调制波和载波三角波交截产生两个控制信号，分别加在逆变桥的两个上管，下管和上管互补导通，那么逆变桥的等效载波频率为载波频率的两倍，这样可以在不提高开关频率条件下，使整个逆变器的等效开关频率提高一倍。
图3 PSM输出电压与SM输出电压波形
阶梯调制模块导通角的计算
由图3可知：2～4模块对应的开关的起始导通角ai[i=1～3]的值，即为该模块对应的阶梯电压与正弦电压幅值相等的时刻，故可以用下式计算导通角θi的值。
2．3 系统的闭环控制方案
级联逆变器应用电压电流双闭环控制方案，控制框图见图4。从控制框图看出，输出电压和基准正弦波Uref的瞬时值误差形成调节信号，通过PI调节后作为电流基准Itef，电流基准Itef和输出电流比较的误差信号经过电流调节器放大后，和载波三角波比较产生SP-WM开关信号。
从控制理论角度看，电流反馈可以将负载电流的扰动包含在电流环的前向通道上，从而将其有效地抑制。电压外环反馈能及时、快速地校正输出电压波形，在各种负载情况(包括非线性负载)下，都能使输出电压准确地跟踪基准正弦波。所以带非线性负载时，由于整个系统的优良动态输出特性，输出电压波形仍然具有好的正弦性。
3 仿真实验及结果分析
仿真逆变器参数为：输入4路隔离的100V直流电源，输出滤波参数为L=2mH,R=31ll，突加突卸阻性负载3lΩ，三角载波的频率为20kHz，幅值为100V，调制波频率为50Hz，仿真算法为ode15。控制参数为：Kuf=1，Kif=0.1，Ku=20,τ=0.25ms,Ki=20，Kuf、Kif分别为电压电流反馈系数；Ku、τu分别为电压环放大倍数和积分时间常数；Ki为电流放大倍数。
图5系统闭环桥臂输出仿真波形及频谱分析
从仿真图可以看出。输出为最大值311V(有效值220 V／50Hz)的交流电压，电压波形具有很好的正弦性，输出电压波形的总谐波含量(THD)在0.28％左右。三角载波的频率为20kHz，逆变器的等效开关频率为40kHz，可知最低次谐波群的中心频率400次。图5d给出的输出电压谐波谱图表明输出电压的谐波主要集中在400次左右，可见仿真和理论分析基本一致。
图6逆变器突加突卸阻性负载时的电压和电流波形
图6为PSM逆变器突加突卸阻性负载时的电流波形，在突加突卸负载时系统的输出电压几乎没有什么变化，可以看出采用了电压电流双闭环反馈技术后，PSM级联逆变器具有良好的稳态输出波形、动态响应特性以及很好的非线性负载能力。
4 小结
在讨论级联型逆变器的基础上，提出将PSM技术和电压电流双闭环反馈技术引入高压级联型逆变器，仿真结果证明了控制方法的可行性。电压电流双闭环控制PSM级联逆变器的优点如下：电路结构简单，控制方法简便，适合用于高压大功率场合，系统具有良好 的稳态输出波形、动态响应特性以及很好的非线性负载能力。
事件2(d)：(0.88×0.714×5×24／8760)×1045=0.99MW·h
总计：527.48MW·h
可以看出，方案2优于方案1，因为方案2的总期望缺供电量指标较方案1低了近10.5％。
由此可见，即使是非常简单的情况，通过定性分析来选择维修方案也是相当困难的任务，而定量风险评估可以清晰地提供维修方案之间的比较。可靠性为中心的设备维修提供了有效的量化分析工具。
6 在云南电网公司开展RCM项目研究的方向
6．1 可以选择的研究目标(重点针对主要设备，例如主变、断路器
(1)维修计划软件系统模型、算法和程序：
(2)修改维修计划数据自动连续整合技术和软件系统：
6．2 可以选择的研究内容
(1)失效模式识别技术：这是分析维修对失效率影响的关键。可提供设备的失效分类模工。
(2)失效率和失效前时间估计方法：用以进行维修对降低失效率和失效前时间的影响分析，取得维修效果量化信息，作为进一步资源最优化研究的依据，
(3)重新调度方案的风险降低预估：用以进行对预想故障(相应于维修主要元件时的系统拓扑和运行方式)的安全评估。
(4)中期维修计划安排决策：建立了进行输电维修方案选择和计划安排的算法和相应的应用件。这个软件计及了资金预算和维修人力的时间约束(例如1年)，从而可优化这些资源的利用效果。
(5)长期维修计划：研究监测和维修变压器及断路器的长期规划方法。其结果给中期计划安排提供一个作为输入的参选方案表，
(6)数据统计整合管理系统：挖掘师有数据，补充需要的新数据，适应维修分析过程以及信息查询和交换要求，建立相应的数据整合管理系统(数据库)。
(7)今后还可考虑研究建立相应的资产管理软件系统。
7 所需的相关配套技术
设备状态在线监测，为RCM提供基础数据和技术依据。以变压器在线监测为例，其提供的信息可进行以下分析：
(1)运行状况：确定运行载荷。
(2)预防故障：进行变压器状态估计，检测异常状况，启动防止紧急故障发生的措施。
(3)维修保障：估计变压器状态，当降额运行时启动维修；辅助制定维修计划；推断更多同类型变压器的状态。
(4)寿命评估：估计变压器状态，确定其剩余寿命：检测异常运行状况。
(5)优化运行：估计变压器的功能状态，提高或最大化变压器的效率(按状态而不是按名牌容量带负荷)。
(6)投运试验：确定正确的安装调试条件：估计变压器状态，改善验收试验的效果和效率：自动收集和保存基本状态的数据和特征。
(7)失效分析：通过变压器发生的失效监测，提供失效机理分析信息。