一種大功率三電平H橋直流變換器開關函數建模

梁旭東，范學鑫，郭鵬輝，張新生

（1．海軍舟山地區裝備修理監修室，浙江舟山 31600；2．海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033)

一種大功率三電平H橋直流變換器開關函數建模

梁旭東1，范學鑫2，郭鵬輝2，張新生2

（1．海軍舟山地區裝備修理監修室，浙江舟山 31600；2．海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033)

開關函數的建模方法是研究電力電子變換電路和控制策略的一種有效手段。本文以一種三電平 H橋直流變換器為研究對象，基于PWM移相控制策略和開關函數建模方法，搭建了三電平H橋逆變單元的開關函數模型，在MATLAB上開展變換器不同工況下的仿真研究，并與Simlink庫自帶的H橋逆變器模型仿真結果對比，驗證開關函數建模的有效性。

三電平H橋直流變換器 PWM 移相控制策略 開關函數

0 引言

與傳統的兩電平拓撲結構相比，三電平以及多電平拓撲結構的直流變換器能夠解決電力電子器件的耐壓和開關功率約束的問題，已經在高壓直流輸電、中高壓大容量變頻器、分布式發電等領域廣泛應用[4,5]，已成為近年來的研究熱點。

開關函數的概念和建模方法已經在電力電子建模研究中取得了廣泛的應用[3]，它以數學語言描述開關的動作狀態，列寫電路方程，分析電路的工作狀態和運行過程，具有較強的實用性，有助于對電力電子電路開關變化過程的理解和研究。本文以一種二極管中點鉗位的三電平H橋直流變換器為對象，建立變換器的開關函數模型，與MATLAB/Simulink庫中的三電平 H橋模型進行仿真試驗對比，驗證開關函數模型的有效性。

1 變換器電路拓撲

三電平H橋直流變換器主要由三電平逆變單元、中頻隔離變壓器、不控整流單元、LC濾波器等組成，其電路原理圖如圖1所示，其中三電平逆變單元是變換器的重要組成部分。直流輸入電壓Ud經過三電平H橋逆變單元后得到三電平交流電壓，經中頻隔離變壓器隔離降壓后，由整流橋整流并通過 LC濾波器濾波獲得直流輸出電壓，實現DC/DC變換。

直流變換器的主要參數：額定輸入直流電壓Ud=4 kV；額定輸出直流電壓Uo=710 V；額定輸出功率Pout=750 kW；變壓器頻率fT=1 kHz。

該變換器的主要作用是實現中壓直流至低壓直流的電能變換，并且實現兩電網之間的電氣隔離[6]。

圖1 三電平H橋直流變換器主電路拓撲結構圖

2 逆變單元的PWM移相控制策略

圖2所示是中點鉗位的三電平H橋逆變單元主電路拓撲結構，為便于分析，把逆變單元輸出負載簡化為阻感負載RL。三電平H橋逆變單元分為左右兩個橋臂，每個橋臂四個IGBT開關管，共八個，分別為 G1-G8，每個 IGBT模塊集成反并聯續流二極管，分別為 D1-D8，四個鉗位二極管為Dc1-Dc4，C1和C2為支撐電容。輸入側直流電壓為Ud，/2，/2，O為鉗位中性點。輸出側電壓為UAB。

PWM移相控制策略下，H橋右側橋臂控制脈沖滯后左側橋臂控制脈沖α角，因此稱左橋臂為超前橋臂，右橋臂為滯后橋臂。超前橋臂的控制脈沖及電壓輸出如圖所示。而滯后橋臂的控制脈沖滯后于超前橋臂α角，其電壓輸出也滯后α角，因此可得H橋的電壓輸出如圖3所示。

3 三電平H橋逆變單元單橋臂輸出分析

開關函數的建模需要考慮三電平H橋中開關的狀態組合，分析H橋輸出與開關狀態的關系。H橋由左右兩側橋臂組成，每個橋臂的四個開關管的狀態組合決定了對應橋臂的輸出。單個橋臂中有4個開關管，每個開關管對應閉合與斷開2種狀態，共有24=16種狀態組合。此處限于篇幅，只對PWM移相控制策略下的有效開關組合情況作以列舉說明。

圖2 三電平H橋逆變器電路拓撲結構圖

如圖3(a)所示，1表示開關閉合，0表示開關斷開。超前橋臂控制脈沖在一個周期內有 3種開關狀態組合，對應G1，G2，G3，G4的狀態組合分別為1100，0110，0011。超前橋臂的開關工作狀態與輸出分析如表1所示。

表1 H橋超前橋臂單元開關狀態與輸出分析

4 三電平H橋逆變電路的開關函數建模

將每個開關的開關狀態設為一個函數 SF，SF取0時表示開關斷開，SF取1時表示開關閉合，即開關函數是由1和0組成的邏輯序列，設超前橋臂的四個開關管的開關函數分別為SF1，SF2，SF3，SF4。根據圖3，可以給出SF1 和SF2的開關函數。

SF3和SF4的值可由下式決定。

圖3 三電平H橋的移相PWM控制策略及電壓輸出

滯后橋臂四個開關管的開關函數SF5，SF6，SF7，SF8的確定方法相同，相位滯后α角。

根據表1及式(1)(2)(3)，可以推導出三電平H橋逆變單元的輸出電壓和輸出電流表達式。超前橋臂：

滯后橋臂：

輸出電壓：

由于以上所定義的開關函數為0和1組成的電平序列，可得如下等式。

根據以上的公式，可建立三電平H橋的開關函數模型。控制脈沖 PWM 信號賦值給SF1～SF8八個開關函數，經過對應的邏輯運算得到UAB的值。再通過controlled voltage模塊接入電路變壓器側。模型主要結構如圖4所示。

圖4 開關函數模型結構圖

5 仿真實驗驗證

為驗證建立的開關函數模型的正確性，分別使用該模型和Simulink自帶的三電平逆變橋模塊對直流變換器進行動態加減載的仿真，直流變換器的整體電路模型使用閉環 PI算法控制，仿真步長為10 μs，開關頻率為1kHz，對比使用兩種模型下的輸出電壓和輸出電流波形。限于篇幅，以下列舉空載突加至40%負載，70%負載突加至100%負載兩種工況的仿真波形。

圖5所示為空載突加至40%負載仿真波形圖，圖6所示為70%負載突加至100%負載仿真波形圖，其中(a)(c)分別為使用Simulink模型和開關函數模型的輸出電壓波形圖，(b)(d)分別為使用Simulink模型和開關函數模型的輸出電流波形圖。

圖5 空載突加至40%負載仿真波形圖

圖6 70%負載突加至100%負載仿真波形圖

由圖5、圖6對比可知，使用Simulink模型和開關函數模型的仿真波形基本吻合，證明了所建立的開關函數模型的有效性。

6 結束語

本文以一種中點鉗位的三電平H橋直流變換器為研究對象，分析一種PWM移相控制策略，使用開關函數的建模方法建立了H橋逆變單元的電路模型。將所建立的開關函數模型應用于直流變換器的 MATLAB/Simulink模型中進行仿真，并與Simulink庫中自帶的三電平H橋模型仿真結果進行對比，結果基本吻合，證明了所建立開關函數模型的有效性，對開關函數建模方法的研究有助于電力電子電路拓撲和控制策略的研究。

[1] Lee B K, Ehsami M. A simplified functional simulation model for three-phase voltage- source inverter using switching function Concept[J]. Industrial Electronics IEEE Transactions on, 2001, 48(2): 309-321.

[2] 武小梅, 徐新, 聶一雄. 基于開關函數的三相電壓源型逆變器的新型仿真模型[J]. 電力系統保護與控制, 2009, 37(11): 74-77.

[3] 楊孝志. 基于開關函數的電壓型整流器的仿真研究[J]. 電氣傳動自動化, 2007, 29(4): 14-16.

[4] 謝楨, 付立軍, 肖飛, 等. 三電平直流變換器平衡中點電位的雙移相 PWM 控制研究[J].西安交通大學學報, 2013, 47（4）: 64-72.

[5] 楊國潤, 肖飛, 范學鑫, 等. 一種四關動作的高壓大功率三電平變流器雙脈沖測試方法[J].中國電機工程學報, 2015(3): 695-701.

[6] 謝楨, 魏建勛, 付立軍, 肖飛, 王恒利. 三電平H橋直流換流器電流連續模式下的建模與控制器設計[J]. 電網技術, 2013, (5): 1230-1236.

Switching Function Modeling of A High Power Three-level H Bridge DC Converter

Liang Xudong1, Fan Xuexin2, Guo Penghui2, Zhang Xinsheng2

（1. Armaments Monitoring Office in Zhoushan, Naval Equipment Ministry, Zhoushan 31600, Zhejiang, China; 2.National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

Switching function is an effective method to study power electronic converter circuit and control strategy. This paper takes a three-level H bridge DC converter as the research object. A switching function model of H bridge inverter unit is built based on PWM phase-shift control strategy. The simulation research is conducted in MATLAB under different conditions. The results are consistent with the simulation using H bridge models of Simulink library. The validity of the switching function modeling is verified.

three-level H-bridge DC/DC converter; PWM; phase-shift control strategy; switching function

TM46

A

1003-4862（2017）02-0001-04

2016-11-21

國家自然科學基金(51477179，51477180)

梁旭東(1966-)，男，高級工程師。研究方向：艦船電力系統。E-maill: fxxaim0224@163.com