多个H桥级联整流的研究

马群立 师书欣 刘 栋

多个H桥级联整流的研究

马群立 师书欣 刘 栋

（焦作煤业集团赵固二矿，河南 焦作 454000）

本文介绍了三个H桥的级联整流控制的拓扑和工作原理，建立了相应的模型，并给出具体控制方案，分析了各参数的设置规则。仿真结果表明，在电路参数变化和负载扰动时，可以实现交流侧单位功率因数和各相输出直流电压恒定。这对大功率电力电子变压器的整流部分提供了一个清晰的、便于实现的控制思路。

级联整流；电压平衡；控制策略

电力电子变压器又分为交-交-交变换结构和交-直-交-直-交型双直流环节结构［1］。本文针对交-直-交-直-交型变压器的级联式整流进行分析研究。随着半导体技术的进步，SiC材料应用于IGBT，单个IGBT已经可以做到15-kV［2］，但要做到更大的容量（如40-kV或者更高电压的交流输入）需要将多个H桥进行串联。

1 系统的数学模型

如图1所示，Us为供电电源；L、R分别为源电感和源电阻；电容电压设为UC1、UC2、UC3；R1、R2、R3分别为负载电阻。本文认为各功率器件均具有理想开关特性，电容C1=C2=C3=C。以H桥1为例，定义开关函数为：

式（1）中开关函数的定义，也给我们定义了每个桥的三种状态。以桥1为例，“1”状态时，将电容的电压接入Uab中，这时给电容充电，交流侧电流iS减小；“0”状态时，电容C1被短路掉，交流侧电流iS增大；“-1”状态时，将电容的电压反向接入Uab中，这时给电容充电，交流侧电流iS同样减小。

图1 3-H桥级联整流电路

各H桥的开关分别为S1、S2、S3，建立出系统的状态方程：

考虑能量守恒，给出系统的能量方程：

式（6）中，IS和US分别为交流电源电压和电流的幅值；UO为稳态时个桥的输出电压，可得稳态时的功率方程为：

忽略中间环节的能量损失，则输入功率等于输出功率：

由此可以推出：

为使系统成为一个稳定的系统，则可由式子（9）推出：

由式（11）可以得出负载与输出电压的限制条件，如果不满足该条件，系统将出现不稳定。

2 H桥级联整流控制策略

2.1 H桥级联整流控制方法

系统的控制框图如图2所示，图中UC1、UC2、UC3为三个H桥直流侧的检测电压，UO为理想的输出电压。

2.2 H桥级联整流的电压平衡控制方法

从上述分析可知，Uad的电压波形状态是由三个桥不同的状态叠加而来的。这时，给出输出电压的第二个限制条件：

上式中，UO为给定的理想输出电压；uS为交流电压源检测电压；uS-MAX为交流电压源检测电压的幅值。如果要在Uad产生11电平的梯形波，就必须满足条件式（12）和（13）。

图2 H桥级联整流系统框图

3 仿真结果与分析

在MATLAB/Simulink环境中对该控制方法进行仿真试验。仿真的具体参数设置如下：

US=220v交流电，频率50Hz；R=1Ω；L=10Mh；C1=C2=C3=2 200μF；R1=60Ω，R2=100Ω，R3=70Ω；输出直流电压理想值设为110v。PI参数为：P=0.5，I=240；滞环带宽为-0.000 001～0.000 001；

交流侧电源电压与电流同相位，单位功率因数输出。电流波形为正弦，峰值为3.5A。通过Simulink的FFT TOOLS对电流波形进行分析，主要谐波为三次谐波。THD为11.29%。

4 结论

本文介绍了三个H桥的级联整流控制的拓扑和工作原理，建立了相应模型，并给出具体控制方案。该控制方法理论明确清晰，在MATLAB/Simulink环境中对该控制方法进行了仿真试验。在不同负载情况下，系统仍然保持了输出电压的稳定均压，交流侧单位功率因数输出。仿真结果表明：该控制方法稳定、可靠，达到了预期的目标。由于需要调节的参数较少：一个PI和一个滞环，解决了过多调节参数在具体硬件实现所带来的困难。

［1］J Wang，AQ Huang，W Sung，et al.Smart grid technolo⁃gies［J］.IEEE Industrial Electronic Magazine，2009（2）：16-23.

［2］C Cecati，A Dell'Aquila，M Liserre，et al.Design of a H-bridge multilevel active rectifier for traction systems［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2003（5）：1541-1550.

Study on Cascade Rectification of Multiple H Bridges

Ma QunliShi Shuxin Liu Dong
（Zhaoguerkuang Mine of Jiaozuo Coal Mining Group，Jiaozuo Henan 454000）

The topology and working principle of cascade rectifier control for three H bridges are intro⁃duced.The corresponding model is established,and the specific control scheme is given.The setting rules of each parameter are analyzed.The simulation results show that the unity power factor of the AC side and the output DC voltage of each phase can be constant when the circuit parameters change and the load is disturbed.It provides a clear and easy to control method for the rectifier part of high power electronic transformer.

cascaded rectifier；voltage balancing；control strategy

TM461

A

1003-5168（2017）10-0132-02

2017-09-02

马群立（1982-），男，本科，助理工程师，研究方向：电气自动化技术以及电力拖动。