多電平變換器直流側(cè)電壓平衡控制電路

丁 娜， 舒澤亮

(西南交通大學(xué)磁浮技術(shù)與磁浮列車(chē)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610031)

在二極管箝位型多電平變換器實(shí)現(xiàn)多電平輸出的過(guò)程中，由于變換器每個(gè)工頻周期內(nèi)對(duì)每個(gè)直流電容充放電的能量不相等，因此，出現(xiàn)電容電壓不平衡問(wèn)題.當(dāng)直流電容的電壓不平衡時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件承受的反向工作電壓也不均衡，直接影響變換器開(kāi)關(guān)器件的安全. 同時(shí)由于電壓不平衡，多電平變換器甚至?xí)嘶蓛呻娖阶儞Q器，輸出電壓電流畸變，失去多電平所具有的諸多優(yōu)點(diǎn).因此，多個(gè)串聯(lián)的直流電容電壓平衡問(wèn)題是該類(lèi)型變換器必須解決的問(wèn)題［1-7］.

為解決直流電容電壓平衡問(wèn)題，已經(jīng)有許多文獻(xiàn)進(jìn)行了相關(guān)研究. 一類(lèi)是通過(guò)優(yōu)化PWM(pulse width modulation)調(diào)制方法［8-11］. 但是這種方法經(jīng)理論分析證明平衡與穩(wěn)定的條件與負(fù)載電流的相角有關(guān)，對(duì)PWM 調(diào)制深度有限制，通過(guò)安裝輔助電路可以拓展穩(wěn)定域［12-13］. 另一類(lèi)是通過(guò)增加輔助電路進(jìn)行電容電壓平衡，包括采用電感輔助電路和電容輔助電路，其中，采用一級(jí)電感輔助電路進(jìn)行電容電壓平衡控制已經(jīng)在許多場(chǎng)合成功應(yīng)用［14-16］.但是這種平衡電路只能平衡一個(gè)基本單元電路中的電容電壓，而對(duì)于兩個(gè)基本單元之間由于沒(méi)有能量交換通路使得電容電壓無(wú)法平衡.

本文針對(duì)上述缺點(diǎn)提出一種帶二級(jí)電感的輔助平衡控制電路，通過(guò)對(duì)輔助開(kāi)關(guān)的控制讓變換器所有直流電容的電壓平衡與穩(wěn)定.

1 新的平衡控制電路原理

1.1 電路結(jié)構(gòu)

圖1 為n+1 電平的二級(jí)輔助電感實(shí)現(xiàn)所有直流電容電壓的平衡控制電路.

圖1 n+1 電平的二級(jí)電感輔助平衡電路Fig.1 The balancing circuit with two-layer auxiliary inductors for n+1-level diode-clamped converter

圖1 中:C1，C2，…，Cn為直流電容;S11，S12，…，S1n，S21，S22，…，S2(n-1)為輔助開(kāi)關(guān)器件，這些器件與其鄰近的反并聯(lián)二極管D11，D12，…，D1n，D21，D22，…，D2(n-1)一起組成正向可關(guān)斷、反向可續(xù)流導(dǎo)通的開(kāi)關(guān).

為說(shuō)明二級(jí)電感輔助平衡電路的工作原理，以五電平二極管箝位型多電平變換器主電路為例進(jìn)行闡述.具體電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示.

圖2 五電平變換器的二級(jí)電感輔助平衡電路Fig.2 The balancing circuit with two-layer auxiliary inductors for 5-level diode-clamped converter

從圖2 可知，電路采用了兩級(jí)電感平衡基本電路單元.第一級(jí)平衡電路包括兩組電感基本平衡單元;第1 組平衡單元由開(kāi)關(guān)器件(S11、S12)、電容(C1、C2)和電感L11組成，實(shí)現(xiàn)C1和C2的平衡;第2 組平衡單元由開(kāi)關(guān)器件(S13、S14)、電容(C3、C4)和電感L12組成，實(shí)現(xiàn)C3和C4的平衡. 第二級(jí)平衡電路只包含1 組電感平衡基本單元，由開(kāi)關(guān)器件(S21、S22)、電容(C2、C3)和電感L21組成，實(shí)現(xiàn)C2和C3的平衡.

最終，C1、C2、C3和C4在3 組兩級(jí)電感基本單元的平衡操作下實(shí)現(xiàn)全部電壓平衡.

1.2 控制方法

為實(shí)現(xiàn)電容電壓平衡，輔助電路的基本平衡單元控制遵循以下原則:(1)在一個(gè)基本單元內(nèi)的串聯(lián)輔助開(kāi)關(guān)管不能同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，但可以同時(shí)關(guān)斷，或者一個(gè)導(dǎo)通一個(gè)關(guān)斷;(2)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Tp內(nèi)，如果兩個(gè)直流電容電壓不平衡，與電壓較高的那個(gè)直流電容并聯(lián)的輔助開(kāi)關(guān)管先導(dǎo)通.

下面具體說(shuō)明整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程. 假設(shè)電容電壓VC1＞VC2.

第1 步 t0＜t ＜t1，在t =t0之前，輔助開(kāi)關(guān)管S11、S12均關(guān)斷，電容電壓VC1＞VC2;在t =t0時(shí)，導(dǎo)通S11，C1放電，L11儲(chǔ)能，電容電壓VC1下降，VC2維持不變，電感電流iL11從0 線性上升.

第2 步 t1＜t ＜t2，在t =t1時(shí)，關(guān)斷S11，S12維持關(guān)斷，由反并聯(lián)二極管D12提供放電電路，L11放電，C2儲(chǔ)能，電容電壓VC2上升，而VC1維持不變，電感電流iL11線性下降至0.

第3 步 t2＜t ＜t3，此階段S11、S12均關(guān)斷，電感電流維持0，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài).

第4 步 t3＜t ＜t10，此階段如果電容電壓VC1＞VC2，電路重復(fù)第1 ～3 步，直至t =t10時(shí)，電容電壓VC2＞VC1，即在此階段結(jié)束時(shí)，串聯(lián)的兩個(gè)直流電容中電壓較高的是C2.

第5 步 t10＜t ＜t11，因?yàn)樵趖 = t10時(shí)，VC2＞VC1，因此，此時(shí)導(dǎo)通S12，同時(shí)關(guān)斷S11.電容C2開(kāi)始放電，電容電壓VC2下降，電感L11儲(chǔ)能，電容C1電壓維持不變.

第6 步 t11＜t ＜t12，此階段S11、S12均關(guān)斷，由反并聯(lián)二極管D11提供電感L11的放電通路，電感的儲(chǔ)能向電容C1釋放.電容電壓VC1升高，VC2不變，當(dāng)電感電流iL11降為0 后，此階段結(jié)束.

第7 步 t12＜t ＜t13，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，開(kāi)關(guān)管S11、S12均關(guān)斷，電感電流維持為0.

圖3 為輔助電路基本單元控制時(shí)序與電容電壓波形圖.按照以上控制過(guò)程，經(jīng)過(guò)幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期，串聯(lián)的兩個(gè)直流電容的電壓將達(dá)到平衡.

圖3 輔助電路基本單元控制時(shí)序與電容電壓波形圖Fig.3 Waveforms of basic unit control sequences and capacitor voltages

1.3 輔助電感選擇

為了實(shí)現(xiàn)上述平衡控制，需計(jì)算輔助電感的參數(shù).因?yàn)樵谝粋€(gè)控制周期中，輔助電感和直流側(cè)電容要進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，而電感量的大小限制了能量轉(zhuǎn)換的能力.

考慮到一個(gè)控制周期時(shí)間較短，電容電壓的變化很小，因此，在t0～t3段，主電路電流i1給電容C1充電的能量為

同理，這段時(shí)間主電路電流i3給電容C2充電的能量為

根據(jù)基爾霍夫電流定律，可得到

在t0～t1段，iS11=iL1，且iS12=0，根據(jù)式(3)可得

顯然平衡電感的電流iL11不會(huì)對(duì)主電路向直流側(cè)電容注入電流產(chǎn)生影響，也就是說(shuō)，主電路的電流和平衡電感電流分別獨(dú)立控制.

在t0～t1段，不考慮電壓降，輔助電路電感L11的電流從0 線性上升，電容C1上的電壓為

在t1時(shí)刻，電感L11電流為

在t0～t1段，電感L11中儲(chǔ)存的能量為

在一個(gè)控制周期中電感電流下降為0，則有

根據(jù)式(1)、(2)、(7)、(8)，并考慮VC1和VC2近似等于Vdc的關(guān)系，則有

由于Tp=t3-t0，且當(dāng)電容電壓平衡時(shí)電容充放電時(shí)間近似相等，即t1-t0≈t2-t1，可認(rèn)為t3-t2≈0，輔助開(kāi)關(guān)占空比D 應(yīng)滿足

式中:Dmin、Dmax為占空比D 的最小值和最大值，Dmin應(yīng)滿足開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間要求.

根據(jù)式(9)和式(10)，輔助電感應(yīng)滿足

開(kāi)關(guān)周期的選取與開(kāi)關(guān)器件特性、電感大小有關(guān).根據(jù)所選的器件查手冊(cè)確定推薦開(kāi)關(guān)頻率，按照推薦開(kāi)關(guān)頻率確定控制電路中的開(kāi)關(guān)周期.最高開(kāi)關(guān)頻率小于開(kāi)關(guān)器件最大工作頻率.

2 仿真與實(shí)驗(yàn)

2.1 MATLB 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文電壓平衡電路的可行性，利用Matlab/Simulink 仿真工具搭建了一個(gè)五電平的二極管箝位型變換器，分別對(duì)帶一級(jí)電感輔助平衡電路和帶二級(jí)電感輔助平衡電路兩種情況進(jìn)行仿真.

仿真參數(shù):直流電容470 μF，輔助電感1 mH，電容初始電壓50.0 V，電容電壓期望值47.5 V.

圖4 為兩種情況下電容電壓的仿真結(jié)果，系統(tǒng)空載啟動(dòng)，在0.02 s 時(shí)加入電阻負(fù)載.

由圖4(a)可知，帶一級(jí)輔助電感平衡電路后，空載和加載情況下兩個(gè)基本單元內(nèi)的電容電壓(VC1≈VC2，VC3≈VC4)均能達(dá)到平衡，但是兩個(gè)基本單元間的電容電壓不平衡(VC≠VC3).

由圖4(b)可知，帶兩級(jí)輔助電感平衡電路不管空載還是帶負(fù)載的情況下，所有電容電壓均達(dá)到平衡狀態(tài).

圖4 直流側(cè)電容電壓波形Fig.4 Waveforms of DC bus capacitors voltages

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提平衡電路的有效性，搭建了五電平二極管箝位型多電平變換器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).分別對(duì)帶一級(jí)平衡電路和帶二級(jí)平衡電路的多電平變換器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中有一段時(shí)間切斷二級(jí)平衡電路的控制，即讓二級(jí)平衡電路中的輔助開(kāi)關(guān)管不工作.

主要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:電源電壓/直流側(cè)參考電壓，100 V/190 V;直流側(cè)電容，470 μF;逆變器交流側(cè)電感，15 mH;平衡電感，1 mH

圖5 為了五電平變換器直流側(cè)電容的電壓波形.由圖5 可知，當(dāng)二級(jí)平衡電路不工作時(shí)，基本單元內(nèi)的兩個(gè)電容電壓可以平衡，但是兩個(gè)基本單元之間電容電壓不能平衡. 當(dāng)二級(jí)平衡電路工作時(shí)，五電平變換器的所有電容電壓之間可以實(shí)現(xiàn)平衡.

圖6 為平衡輔助電路工作和不工作時(shí)的變換器輸入線電壓和線電流的實(shí)驗(yàn)波形.

圖5 五電平變換器直流側(cè)電容電壓波形Fig.5 Waveforms of DC bus capacitor voltages of 5-level converter

圖6 變換器輸入線電壓和電流波形Fig.6 Waveforms of converter output line-to-line voltages and current

從圖6 可以看出，當(dāng)變換器的平衡輔助電路不工作時(shí)，變換器輸出線電壓從七電平退化成五電平，這與仿真分析一致.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種帶兩級(jí)輔助電感的適用于二極管箝位型多電平變換器的直流電容電壓平衡電路.通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論:

(1)兩級(jí)平衡電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可適用于任意電平變換器.

(2)平衡電路采用獨(dú)立控制，不僅可以平衡本單元內(nèi)部電容電壓，還可以使多電平變換器中所有的直流電容電壓達(dá)到平衡.平衡效果良好.

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