并聯(lián)Buck TL直流變換器控制研究

劉 明，李盛雄，王利琴

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并聯(lián)Buck TL直流變換器控制研究

劉 明1，李盛雄1，王利琴2

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064；2.湖北省電力公司檢修公司, 武漢430060）

為了降低開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力和提高負(fù)載功率，本文提出了并聯(lián)三電平直流變換器方案。分析了三電平直流變換器的工作原理及其控制策略，在 Matlab/Simulink 平臺(tái)上搭建仿真模型，實(shí)現(xiàn)了輸出電流均流和飛跨電容穩(wěn)壓控制，驗(yàn)證了并聯(lián)三電平直流變換器拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，樣機(jī)試驗(yàn)表明了該變換器及其控制的合理性和有效性。

三電平 均流 飛跨電容 控制策略

0 引言

三電平（Three-level，TL）直流變換器具有降低開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力，減小輸入輸出濾波器等優(yōu)點(diǎn)，適用于高輸入/輸出電壓的功率變換場(chǎng)合[1]。與兩電平直流變換器相比，三電平直流變換器的電感電流紋波更小。從變換器拓?fù)渖蟻?lái)說(shuō)，三電平變換器使用了較少的無(wú)源元件，便于系統(tǒng)集成。但是，要實(shí)現(xiàn)三電平直流變換器的優(yōu)點(diǎn)，必須保證飛跨電容電壓的穩(wěn)定[2]。

在實(shí)際電路中，由于各開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)特性和占空比不可能做到完全一致，常導(dǎo)致飛跨電容電壓偏離平衡值，使得多電平變換器無(wú)法正常工作。為保證多電平直流變換器能正常工作，必須對(duì)飛跨電容電壓進(jìn)行有效的控制[3]。

此外，為了進(jìn)一步增大輸出電流提高功率，提高輸出紋波電流頻率和降低特征次諧波分量的幅值來(lái)減小濾波電感量及體積，需要多個(gè)Buck橋臂并聯(lián)的方式。但由于并聯(lián)橋臂開(kāi)關(guān)器件特性的不一致、驅(qū)動(dòng)電路的不對(duì)稱(chēng)等，實(shí)際中會(huì)出現(xiàn)橋臂電流不均衡的情況。

因此在采用并聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式電源系統(tǒng)的同時(shí)，必須采取一定的措施來(lái)保證每個(gè)模塊平均分擔(dān)輸出電流（即所謂的均流），只有這樣，方能保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作，充分發(fā)揮并聯(lián)電源的優(yōu)點(diǎn)[4]。

本文綜合考慮多方面運(yùn)行條件因素，通過(guò)建立四橋臂并聯(lián)三電平Buck電路仿真模型以超級(jí)電容為模擬負(fù)載來(lái)研究主電路特性，可進(jìn)一步降低三電平技術(shù)方案的研制風(fēng)險(xiǎn)。限于現(xiàn)有試驗(yàn)條件，裝置采用電阻進(jìn)行試驗(yàn)，論文最后給出試驗(yàn)結(jié)果，以驗(yàn)證本方法的有效性。

1 并聯(lián)Buck TL直流變換器仿真

1.1 Buck TL直流變換器工作原理

圖1給出了Buck TL變換器的主電路。其中，飛跨電容Cb的初始電壓U=U/2，Q1和Q2為交錯(cuò)控制其驅(qū)動(dòng)信號(hào)相差180°相角。圖2給出了Buck TL變換器的四種工作狀態(tài)。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管的占空比D>0.5時(shí)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的一段時(shí)間內(nèi)Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，其余時(shí)間內(nèi)只有Q1或Q2導(dǎo)通；當(dāng)開(kāi)關(guān)管的占空比D<0.5時(shí)，在1 個(gè)開(kāi)關(guān)周期，一段時(shí)間內(nèi)只有Q1或Q2導(dǎo)通，其余時(shí)間內(nèi)Q1和Q2都關(guān)斷。

當(dāng)Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓為負(fù)載提供能量，濾波器上的電壓U=U；當(dāng)Q1導(dǎo)通Q2關(guān)斷時(shí)，輸入電壓與飛跨電容的壓差向負(fù)載提供能量，U=U/2；當(dāng)Q1關(guān)斷Q2導(dǎo)通時(shí)，飛跨電容Cb向負(fù)載提供能量，U=U/2；當(dāng)Q1和Q2同時(shí)關(guān)斷，濾波電感電流通過(guò)D1和D2續(xù)流，U=0。

無(wú)論占空比大于或小于0.5，當(dāng)濾波電感電流連續(xù)時(shí)，Buck TL變換器輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為U/U=[5]。

1.2 四橋臂并聯(lián)Buck TL變換器仿真模型的建立

為提高輸出電流等級(jí)，本文采用四橋臂BUCK TL并聯(lián)結(jié)構(gòu)，利用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真模型的建立和分析。

Kathy is a great mate, we are like sisters.凱茜是個(gè)很好的伙伴，我們親如姐妹。

1)控制策略選擇

為了實(shí)現(xiàn)四橋臂并聯(lián)Buck TL變換器的穩(wěn)壓均流要求，仿真模型采用了以下兩種控制策略：

a)飛跨電容電壓穩(wěn)壓策略

引入飛跨電容電壓均衡控制，對(duì)每個(gè)橋臂的占空比進(jìn)行微調(diào)，使飛跨電容電壓維持在輸入電壓一半附近，圖3給出了變換器輸出限壓恒流帶飛跨電容微調(diào)的控制策略。

b)并聯(lián)橋臂均流策略

圖4所示為四橋臂并聯(lián)Buck TL直流變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。四個(gè)橋臂之間通過(guò)移相控制技術(shù)以減小輸出總電流紋波，每個(gè)橋臂的電流單獨(dú)控制，電流給定為總電流的四分之一。

2)仿真參數(shù)設(shè)定

本文建立的仿真模型為一個(gè)大電容快速充電裝置，輸入電源端設(shè)有6 mF的穩(wěn)壓支撐電容，輸出端為200 F的電容，輸入額定電壓1500 V，輸出額定電流1800 A。

1.3 四橋臂Buck TL直流變換器仿真分析

總輸出電流給定1800 A，斜坡給定斜率為3600，仿真時(shí)間1 s，仿真結(jié)果如圖5～8所示。其中，圖5為輸出總電流和輸出電壓的仿真曲線，圖6為輸出總電流的瞬時(shí)波形仿真曲線，圖7為四個(gè)支路電流的瞬時(shí)波形仿真曲線，圖8為飛跨電容的瞬時(shí)電壓波形仿真曲線。

由圖5～8可以看出，仿真模型的總電流輸出曲線和輸出電壓曲線均穩(wěn)步上升，0.5 s之后輸出總電流達(dá)到1800 A實(shí)現(xiàn)恒流控制，負(fù)載電容電壓線性上升；總電流瞬時(shí)波形的最大脈動(dòng)為40 A，只有直流分量的2.2%，電流輸出穩(wěn)定；在仿真過(guò)程中，四個(gè)支路的輸出電流波形大小和變化趨勢(shì)非常一致，體現(xiàn)了均流控制的效果；一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率內(nèi)支路電流波形相互之間相移90°，總輸出電流的波形是四個(gè)支路波形的疊加，因此諧波頻率是支路電流諧波頻率的4倍，有利于減小輸出濾波電感體積；由于飛跨電容微調(diào)控制的存在，四個(gè)橋臂飛跨電容的電壓維持在支撐電容電壓的一半750 V附近，體現(xiàn)了穩(wěn)壓控制的效果。

仿真結(jié)果證明了四橋臂Buck TL直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略的可行性，符合設(shè)計(jì)要求。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證四橋臂Buck TL直流變換器及其控制策略的可行性，開(kāi)發(fā)了四橋臂Buck TL直流變換器樣機(jī)并完成了1 MW功率等級(jí)下的電阻性負(fù)載限壓恒流試驗(yàn)。圖9為試驗(yàn)樣機(jī)外觀。

采用阻性負(fù)載時(shí)，隨著負(fù)載電流的增大，電阻上的電壓將會(huì)逐漸增加，因此通過(guò)將負(fù)載電流逐漸增大的方式即可模擬負(fù)載電容電壓的變化對(duì)控制系統(tǒng)影響。負(fù)載電流變化時(shí)的電壓電流波形如圖 10所示。

圖9 四橋臂Buck TL直流變換器樣機(jī)外觀

圖10 斜坡給定時(shí)電壓電流變化

圖中1通道為負(fù)載電流，2通道為負(fù)載電壓，可以看出當(dāng)電流在10 s內(nèi)由0A變化為740 A時(shí)，電壓在10 s內(nèi)由0 V變化為680 V時(shí)，電壓能穩(wěn)定的跟隨電流變化而變化無(wú)振蕩發(fā)生。試驗(yàn)結(jié)果證明了四橋臂Buck TL直流變換器主電路結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可行性。

3 總結(jié)

Buck TL變換器可以使各個(gè)開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力變?yōu)閭鹘y(tǒng)BUCK變換器的一半，減少了開(kāi)關(guān)管成本，更適合高輸入電壓的應(yīng)用場(chǎng)合。多橋臂并聯(lián)的方式可以有效降低電流紋波，同時(shí)提高了輸出電流等級(jí)。飛跨電容穩(wěn)壓控制可以保證飛跨電容電壓在輸入電壓的一半附近。本文從理論學(xué)習(xí)、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)方面說(shuō)明了四橋臂Buck TL直流變換器及其控制策略的可行性。

[1] 阮新波. 三電平直流變換器及其軟開(kāi)關(guān)技術(shù)[M]. 科學(xué)出版社, 2006.

[2] 單國(guó)棟. 三電平 Buck 直流變換器控制策略研究[D]. 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2012.

[3] 張?jiān)獘? 多電平直流變換器中飛跨電容電壓的一種控制策略[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24(8):34-38.

[4] 梁鋒. DC/DC變換器并聯(lián)均流與交錯(cuò)控制研究[D].清華大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2004.

[5] 胡斌,楊中平,黃先進(jìn),史京金,趙煒, 用于超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的三電平雙向直流變換器及其控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(8): 83-88.

Study on Control Strategy of Paralleled Three-level Buck Converter

Liu Ming1, Li Shengxiong1, Wang Liqin2

(1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China；2.Maintenance Company, Hubei Electric Power Company, Wuhan 430060, China )

TM463

A

1003-4862（2017）07-0051-04

2017-05-15

劉明（1987-），男，助工。研究方向：電機(jī)控制。