H橋級聯(lián)變流器直流側(cè)電容電壓的控制策略仿真

商姣　錢金躍　施浩強(qiáng)　趙成龍

【摘 要】直流電容電壓的穩(wěn)定是H橋級聯(lián)變流器全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。本文介紹了一種H橋直流電容電壓的分層控制策略。在MATLAB/simulink中搭建了仿真模型，仿真結(jié)果說明該策略能使直流側(cè)電容電壓保持穩(wěn)定，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】H橋級聯(lián)；電容電壓均衡控制；MATLAB/simulink仿真

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)增長，社會(huì)對電力的需求越來越大，電力電子器件被廣泛應(yīng)用于高壓大功率場合，如靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）、有源電力濾波器（APF）等。在電力電子拓?fù)渲?，級?lián)型結(jié)構(gòu)可以通過增加單元的級聯(lián)數(shù)量，方便地提高變流器輸出的電壓和功率等級；其中，H橋級聯(lián)型變流器由于各單元直流側(cè)獨(dú)立，所以廣受青睞。

H橋變流器的應(yīng)用難點(diǎn)之一在于直流側(cè)電容電壓的平衡控制。文獻(xiàn)[1]通過外加平衡控制電路，以硬件手段實(shí)現(xiàn)，需要增加隔離變壓器和二極管整流電路，增加了裝置的成本和體積。文獻(xiàn)[2]通過調(diào)節(jié)輸出電壓和電流之間的相位差來實(shí)現(xiàn)，但該方法調(diào)節(jié)相位的幅度小，控制能力較弱，且計(jì)算量大。

本文通過控制微調(diào)各H橋的調(diào)制電壓來實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的均衡控制，無需配置額外的硬件電路。在MATLAB/simulink中建立仿真模型，驗(yàn)證各H橋存在參數(shù)差異時(shí)，在所設(shè)計(jì)的控制方案下，各H橋的直流側(cè)電壓能否保持穩(wěn)定。

1 H橋直流側(cè)電壓控制策略

單相級聯(lián)H橋變流器的主電路拓?fù)淙鐖D1所示，以3個(gè)單元級聯(lián)為例。其中，us為電網(wǎng)電壓，i為變流器電流。

第一層的控制原理框圖如圖2（a）所示，直流側(cè)的電壓給定值為u，實(shí)際電壓為udc，udc與u兩者的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后，再乘以電網(wǎng)電壓us 得到有功電流指令ipref，將其疊加到電流指令中就可實(shí)現(xiàn)對直流側(cè)總電容電壓的控制。

第二層的控制原理框圖如圖2（b）所示，其主要思想就是在每個(gè)H橋的調(diào)制電壓上疊加一個(gè)微調(diào)量調(diào)節(jié)H橋的有功功率。當(dāng)直流電壓高于平均電壓時(shí)，微調(diào)量為正，向電網(wǎng)中釋放有功，電容電壓下降；反之，微調(diào)量為負(fù)，從電網(wǎng)中吸收有功來升高電壓。3個(gè)H橋直流電壓分別為udc1、udc2、udc3，將平均值與直流電壓的差值送入PI調(diào)節(jié)器后乘以變流器電流i，分別疊加到變流器的調(diào)制波vr上，得到2個(gè)H橋的均壓指令分別為vr1，vr2。由于均壓控制有功在H橋之間流動(dòng)，所以總有功變化為零，因此最后一個(gè)H橋的均壓指為-（vr1+vr2）。

1.2 電容電壓不平衡原因

由文獻(xiàn)[4]知，開關(guān)損耗差異、并聯(lián)型損耗差異是造成電容電壓不平衡的主要原因；諧波、串聯(lián)型損耗差異不影響電容電壓平衡；電容器容量差異只會(huì)影響電壓的動(dòng)態(tài)過程，與穩(wěn)態(tài)分配無關(guān)。因此，在仿真模型中，將H橋直流側(cè)并聯(lián)受控電流源以模擬開關(guān)損耗，電流源的大小與逆變器電流的有效值成正比；將H橋直流側(cè)并聯(lián)電阻以模擬并聯(lián)型損耗。

2 仿真結(jié)果

在MATLAB/simulink中建立仿真模型，系統(tǒng)電壓為220V，電抗器為1mH，變流器發(fā)出20A容性無功，H橋直流電容均為1000μF，指令電壓為200V。通過改變受控電流源電流和并聯(lián)電阻的大小以模擬3個(gè)H橋的參數(shù)差異。

假設(shè)各H橋初始電壓均為200V。當(dāng)系統(tǒng)沒有電容電壓平衡控制的仿真波形如圖3（a）所示，隨后偏差逐漸增大，最終發(fā)散；在加入電容電壓平衡控制后，直流側(cè)電容電壓的仿真波形如圖3（b）所示，三個(gè)H橋的直流側(cè)電容電壓最后都穩(wěn)定在200V，達(dá)到了預(yù)期的控制目標(biāo)。

（a）沒有電容電壓平衡控制

（b）有電容電壓平衡控制

3 結(jié)論

H橋級聯(lián)變流器在電能質(zhì)量治理領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，如STATCOM和APF等。本文介紹了一種直流側(cè)電容電壓分層控制策略，實(shí)現(xiàn)方便；在各H橋參數(shù)存在明顯差異時(shí)，該策略能夠保持各H橋直流側(cè)電容電壓恒定，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]魏文輝，滕樂天，劉文華，等.基于鏈?zhǔn)侥孀兤鞯拇笕萘縎TATCOM的直流電壓平衡控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28（7）：4-9.

[2]LEHN P W.Exact modeling of the voltage source converter[J].IEEE Trans on Power Delivery，2002，17（1）：217-222.

[3]楊晶.基于多電平技術(shù)的鏈?zhǔn)届o止無功發(fā)生裝置的研究[D].南京：東南大學(xué)，2013.

[4]耿俊成，劉文華，袁志昌.鏈?zhǔn)絊TATCOM電容電壓不平衡現(xiàn)象研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27（16）：56-57.

[責(zé)任編輯：田吉捷]