基于有功电流峰值反馈的级联型PWM整流器电容电压平衡的研究

林奕群，张昆仑，江丹宇

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

基于有功电流峰值反馈的级联型PWM整流器电容电压平衡的研究

林奕群，张昆仑，江丹宇

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

根据能量守恒原理，对级联型PWM整流器(cascaded H-bridge rectifier, CHBR)进行串并联等效，提出一种基于有功电流峰值反馈的电容电压平衡算法。建立了CHBR的时间平均模型，得出调制比和各级单元有功电流峰值之间的数学关系，由此推出相应的控制算法。在MATLAB/Simulink中建立3单元的仿真模型，仿真结果表明所采用的基于有功电流峰值反馈的电容电压平衡控制是有效的，且易于实现。

大功率整流器；多电平；串并联等效；电压平衡；有功电流峰值反馈

0 引 言

级联型H桥多电平变换器具有模块化、调制简单、扩展性好等优点，广泛应用于高压大功率的传动领域。受限于电力电子器件发展水平，传统的两电平变换器拓扑不能满足高压大功率电力电子变换的要求，而且电力电子器件的功率变换能力和开关频率之间是矛盾的，往往功率越大，开关频率越低，高性能的控制实现起来愈发困难。经过多年的研究，级联型多电平逆变器取得丰硕的成果，已成功地应用在大功率交流电机驱动、静止无功补偿和有源电力滤波等场合。在早前，与之相对的级联H桥整流器(Cascade H-bridge rectifier，CHBR)所受的关注度不如逆变器，但近来CHBR的一些优点正引起学界、工业界的重视。CHBR能输出多路直流电压，直流侧电压稳定是系统的能够安全运行的前提。因此，直流侧电压平衡问题是该拓扑的研究重点。

文献[1]提出了滞环控制实现电容电压平衡，但滞环控制的开关频率不固定，难以数字化实现。文献[2]基于整流器的Euler-Lagrange方程，通过注入合适的阻尼系数，设计出高性能的无源控制器，控制效果较好，但是该方法非常复杂。文献[3]提出带有电容电压平衡的三维调制策略，有较快的动态响应，但需检测电流方向和选择最优的开关状态，不易实现。文献[4]针对高压大功率器件开关频率低的特点，利用选择性谐波消除调制，通过计算开关角度，改变功率流向保持电容电压平衡，但需求解非线性方程，计算大，对处理器要求高。

本文提出一种基于有功电流峰值反馈的电容电压平衡方法，首先给出了级联H桥整流器的数学模型；接着，分析了瞬态电流控制策略，并提出了基于有功电流峰值反馈的电压平衡控制，该方法在不平衡负载条件下能保持平衡，因此能用于电力电子变压器的前端。仿真结果表明所提出的电压平衡方法是有效的。

1 CHBR的数学模型及功率分析

1.1 CHBR的数学模型

图1是单相7电平级联H桥整流器的电路图。每个H桥包含四个IGBT及钳位二极管，一个电容及阻性负载。Is是网侧输入电流，Vs是电源电压，Vafe是整流器输入电压，L和R是耦合电感及线路电阻，Vdc1,Vdc2,Vdc3是电容电压，Ci是直流侧电容，RLi是负载电阻。

图1 整流器主电路结构

整流器在稳态情况下，定义第i单元的占空比如下：

(1)

其中Vafei和vdci分别是第i单元输入侧基波电压和直流侧电压。Si有3种可能的取值：-1,0,1。

整流器的微分方程为：

(2)

(3)

为了便于分析，将整流器模型进行时间平均等效变换，可得该拓扑在平均意义下的微分方程如式(4)(5)所示。开关函数经过时间平均后变成调制比di。在线性调制区，调制比di的范围在[-1,1]。

(4)

(5)

1.2 功率分析

图2 整流器时间平均等效电路

如图2所示，基于有功电流峰值反馈的电容电压平衡控制算法的基本思路是将系统等效成n个子系统之和，假设n个串联单元的功率可以等效成n个并联单元，根据能量守恒定理，分析子系统的功率流向,可得各级联单元调制比与总调制比的关系。

单个H桥单元的数学模型:

(6)

(7)

1.2.1 H桥串联的功率分析

由文献[2]670-678得:

(8)

1.2.2 H桥并联的功率分析

较之串联型，并联运行的H桥单元能够独立地控制功率，因此可将串联单元功率解耦进行分析。并联型与串联型等效的前提是各级单元的直流侧电压相同，并联单元的输入电压为Vs/n，如图2(b)所示，忽略Li,Ri的影响，

(9)

根据能量守恒定理，

每个串联单元功率：

(10)

每个并联单元：

(11)

由(10) (11)式可得:

(12)

其中

(13)

2 控制算法

对于CHB变换器控制结构，输出交流电流必须跟电压同相位，每个模块的电容电压必须平衡。一个很自然的想法是将两电平整流器的控制策略移植到多电平整流器上面，即总电压控制作为外环，内环为电流环。

2.1 总电压电流控制

如图3所示,由于整流器交流侧输入只流过一个电流，从网侧看，把级联单元作为一个整体，继而，级联型PWM整流器就等效为传统的单相PWM整流器。由此，控制结构可分为两部分：总电压电流控制和直流侧电压控制。根据级联H桥整流器的工作特性，本文将瞬态直接电流控制用于整体电压控制，该控制策略的数学表达式如下[5]:

(14)

其中Kvp是电压环比例系数，Kvi为电压环积分系数

图3 瞬态直接电流控制框图

2.2 电压平衡控制

(15)

(16)

图4给出了直流侧电压平衡控制框图。

图4 直流侧电压平衡控制框图

3 仿真分析

为了研究级联型PWM整流器的运行特性，验证电容电压平衡算法的正确性和可行性，在MATLAB中搭建了仿真模型。电网电压有效值3 000 V，50 Hz；CHBR由3个H桥单元级联而成，每个模块直流电压2 000 V，总电压6 000 V，网侧电感10 mH，直流侧电容5 000 μF；仿真步长1e-5s，开关频率1 kHz，额定负载电阻50 Ω。级联型PWM整流器启动过程如图5所示，从图5上看，网侧电压uN、电流iN达到同相位，电流经过0.1 s后达到稳定；图6给出整流器输入侧电压仿真图，实现了7电平运行；由图7可得，网侧电流THD为3.90%(<5%)，谐波含量低。

图5 网侧电压和电流图

图6 整流器交流侧输入电压

图7 网侧电流的THD值

直流侧电压经过约0.15 s变得稳定，稳定后其脉动较小约为20 V。图8是直流侧电压波形图，直流侧电压Vdc经过0.1 s达到稳定，在0.32 s时模块1的电阻变为25 Ω(模块2、3电阻不变)，在0.6 s时系统恢复平衡(模块1,2,3均为50 Ω)。在负载突变时系统超调小。由仿真图可得，本文所采用的总电压电流控制及电容电压平衡控制，在负载突变时系统能保持稳定，说明本文所提出的电容电压平衡控制策略在理论上是可行的。

图8 直流侧电压

4 结束语

本文针对级联7电平整流器的工作原理及电容电压平衡控制算法进行理论分析和仿真研究，得到：

(1)各单元电容电压的增大(减小)与该单元占总有功功率的比例紧密相关；(2)每级整流器的电容电压平衡与其他两级是耦合的；所提出的控制策略能够较好地控制电网电流，整流器工作在单位功率因数；

(3)在负载不平衡时电网电压和电流保持同相位，直流侧电压均稳定在参考值附近；此外，本算法具有物理意义明确，易于实现等特点。

[1] IMAN EINI H, SCHANEN J L, FARHANGI S, et al. A modular strategy for control and voltage balancing of cascaded H-bridge rectifiers[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2008, 23(5): 2428-2442.

[2] DELLAQUILA A, LISERRE M, MONOPOLI V G, et al. An energy-based control for an n-H-bridges multilevel active rectifier[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2005,52(3):670-678.

[3] X SHE, AQ HUANG, G WANG. 3-D space modulation with voltage balancing capability for a cascaded seven-level converter in a solid-state transformer[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26(12):3778-3789

[4] WATSON A J, WHEELER P W,CLARE J C, A complete harmonic elimination approach to DC link voltage balancing for a cascaded multilevel rectifier[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, 54(6):2946-2953.

[5] 舒泽亮,王世涛,赵莉,等.单相二极管箝位三电平级联整流器的研究[J].北京交通大学学报:自然科学版,2015, 39(5):69-74.

Research on Capacitor Voltage Balance of a Cascaded PWM Rectifier Based on Active Current Peak Feedback

Lin Yiqun, Zhang Kunlun, Jiang Danyu

(College of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)

In the principle of energy conservation, a capacitor voltage balance algorithm is proposed on the basis of series-parallel equivalence of the cascaded PWM rectifier. A time average model of the rectifier is established, the mathematical relationship between modulation ratio and active current peaks of units at various levels is obtained, and corresponding control algorithms are deduced. A 3-unit simulation model is built up in Matlab/Simulink. Simulation results show that the capacitor voltage balance control based on active current peak feedback is effective and is easy to implement.

high power rectifier； multi-level； series-parallel equivalent；voltage balance； active current peak feedback

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.001

TM341

A

1000-3886(2017)01-0001-02

林奕群(1991-)，男，福建人，硕士生，专业：轨道交通电气化与信息技术。 张昆仑(1964-)，男，四川人，教授，专业：电力电子与电力传动、电磁悬浮与线性驱动。 江丹宇(1991-)，男，安徽人，硕士生，专业：电气工程。

定稿日期: 2016-07-15