多個H橋級聯(lián)整流的研究

馬群立 師書欣 劉 棟

多個H橋級聯(lián)整流的研究

馬群立 師書欣 劉 棟

（焦作煤業(yè)集團趙固二礦，河南 焦作 454000）

本文介紹了三個H橋的級聯(lián)整流控制的拓?fù)浜凸ぷ髟?，建立了相?yīng)的模型，并給出具體控制方案，分析了各參數(shù)的設(shè)置規(guī)則。仿真結(jié)果表明，在電路參數(shù)變化和負(fù)載擾動時，可以實現(xiàn)交流側(cè)單位功率因數(shù)和各相輸出直流電壓恒定。這對大功率電力電子變壓器的整流部分提供了一個清晰的、便于實現(xiàn)的控制思路。

級聯(lián)整流；電壓平衡；控制策略

電力電子變壓器又分為交-交-交變換結(jié)構(gòu)和交-直-交-直-交型雙直流環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)［1］。本文針對交-直-交-直-交型變壓器的級聯(lián)式整流進行分析研究。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，SiC材料應(yīng)用于IGBT，單個IGBT已經(jīng)可以做到15-kV［2］，但要做到更大的容量（如40-kV或者更高電壓的交流輸入）需要將多個H橋進行串聯(lián)。

1 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

如圖1所示，Us為供電電源；L、R分別為源電感和源電阻；電容電壓設(shè)為UC1、UC2、UC3；R1、R2、R3分別為負(fù)載電阻。本文認(rèn)為各功率器件均具有理想開關(guān)特性，電容C1=C2=C3=C。以H橋1為例，定義開關(guān)函數(shù)為：

式（1）中開關(guān)函數(shù)的定義，也給我們定義了每個橋的三種狀態(tài)。以橋1為例，“1”狀態(tài)時，將電容的電壓接入Uab中，這時給電容充電，交流側(cè)電流iS減小；“0”狀態(tài)時，電容C1被短路掉，交流側(cè)電流iS增大；“-1”狀態(tài)時，將電容的電壓反向接入Uab中，這時給電容充電，交流側(cè)電流iS同樣減小。

圖1 3-H橋級聯(lián)整流電路

各H橋的開關(guān)分別為S1、S2、S3，建立出系統(tǒng)的狀態(tài)方程：

考慮能量守恒，給出系統(tǒng)的能量方程：

式（6）中，IS和US分別為交流電源電壓和電流的幅值；UO為穩(wěn)態(tài)時個橋的輸出電壓，可得穩(wěn)態(tài)時的功率方程為：

忽略中間環(huán)節(jié)的能量損失，則輸入功率等于輸出功率：

由此可以推出：

為使系統(tǒng)成為一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，則可由式子（9）推出：

由式（11）可以得出負(fù)載與輸出電壓的限制條件，如果不滿足該條件，系統(tǒng)將出現(xiàn)不穩(wěn)定。

2 H橋級聯(lián)整流控制策略

2.1 H橋級聯(lián)整流控制方法

系統(tǒng)的控制框圖如圖2所示，圖中UC1、UC2、UC3為三個H橋直流側(cè)的檢測電壓，UO為理想的輸出電壓。

2.2 H橋級聯(lián)整流的電壓平衡控制方法

從上述分析可知，Uad的電壓波形狀態(tài)是由三個橋不同的狀態(tài)疊加而來的。這時，給出輸出電壓的第二個限制條件：

上式中，UO為給定的理想輸出電壓；uS為交流電壓源檢測電壓；uS-MAX為交流電壓源檢測電壓的幅值。如果要在Uad產(chǎn)生11電平的梯形波，就必須滿足條件式（12）和（13）。

圖2 H橋級聯(lián)整流系統(tǒng)框圖

3 仿真結(jié)果與分析

在MATLAB/Simulink環(huán)境中對該控制方法進行仿真試驗。仿真的具體參數(shù)設(shè)置如下：

US=220v交流電，頻率50Hz；R=1Ω；L=10Mh；C1=C2=C3=2 200μF；R1=60Ω，R2=100Ω，R3=70Ω；輸出直流電壓理想值設(shè)為110v。PI參數(shù)為：P=0.5，I=240；滯環(huán)帶寬為-0.000 001～0.000 001；

交流側(cè)電源電壓與電流同相位，單位功率因數(shù)輸出。電流波形為正弦，峰值為3.5A。通過Simulink的FFT TOOLS對電流波形進行分析，主要諧波為三次諧波。THD為11.29%。

4 結(jié)論

本文介紹了三個H橋的級聯(lián)整流控制的拓?fù)浜凸ぷ髟?，建立了相?yīng)模型，并給出具體控制方案。該控制方法理論明確清晰，在MATLAB/Simulink環(huán)境中對該控制方法進行了仿真試驗。在不同負(fù)載情況下，系統(tǒng)仍然保持了輸出電壓的穩(wěn)定均壓，交流側(cè)單位功率因數(shù)輸出。仿真結(jié)果表明：該控制方法穩(wěn)定、可靠，達到了預(yù)期的目標(biāo)。由于需要調(diào)節(jié)的參數(shù)較少：一個PI和一個滯環(huán)，解決了過多調(diào)節(jié)參數(shù)在具體硬件實現(xiàn)所帶來的困難。

［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

馬群立（1982-），男，本科，助理工程師，研究方向：電氣自動化技術(shù)以及電力拖動。