梁旭東，范學(xué)鑫，郭鵬輝，張新生

（1．海軍舟山地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，浙江舟山 31600；2．海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033)

一種大功率三電平H橋直流變換器開(kāi)關(guān)函數(shù)建模

梁旭東1，范學(xué)鑫2，郭鵬輝2，張新生2

（1．海軍舟山地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，浙江舟山 31600；2．海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033)

開(kāi)關(guān)函數(shù)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(duì)象，基于PWM移相控制策略和開(kāi)關(guān)函數(shù)建模方法，搭建了三電平H橋逆變單元的開(kāi)關(guān)函數(shù)模型，在MATLAB上開(kāi)展變換器不同工況下的仿真研究，并與Simlink庫(kù)自帶的H橋逆變器模型仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證開(kāi)關(guān)函數(shù)建模的有效性。

三電平H橋直流變換器 PWM 移相控制策略 開(kāi)關(guān)函數(shù)

0 引言

與傳統(tǒng)的兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，三電平以及多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流變換器能夠解決電力電子器件的耐壓和開(kāi)關(guān)功率約束的問(wèn)題，已經(jīng)在高壓直流輸電、中高壓大容量變頻器、分布式發(fā)電等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[4,5]，已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

開(kāi)關(guān)函數(shù)的概念和建模方法已經(jīng)在電力電子建模研究中取得了廣泛的應(yīng)用[3]，它以數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述開(kāi)關(guān)的動(dòng)作狀態(tài)，列寫電路方程，分析電路的工作狀態(tài)和運(yùn)行過(guò)程，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，有助于對(duì)電力電子電路開(kāi)關(guān)變化過(guò)程的理解和研究。本文以一種二極管中點(diǎn)鉗位的三電平H橋直流變換器為對(duì)象，建立變換器的開(kāi)關(guān)函數(shù)模型，與MATLAB/Simulink庫(kù)中的三電平 H橋模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證開(kāi)關(guān)函數(shù)模型的有效性。

1 變換器電路拓?fù)?/h2>

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(jīng)過(guò)三電平H橋逆變單元后得到三電平交流電壓，經(jīng)中頻隔離變壓器隔離降壓后，由整流橋整流并通過(guò) LC濾波器濾波獲得直流輸出電壓，實(shí)現(xiàn)DC/DC變換。

直流變換器的主要參數(shù)：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(shí)現(xiàn)中壓直流至低壓直流的電能變換，并且實(shí)現(xiàn)兩電網(wǎng)之間的電氣隔離[6]。

圖1 三電平H橋直流變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 逆變單元的PWM移相控制策略

圖2所示是中點(diǎn)鉗位的三電平H橋逆變單元主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為便于分析，把逆變單元輸出負(fù)載簡(jiǎn)化為阻感負(fù)載RL。三電平H橋逆變單元分為左右兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂四個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管，共八個(gè)，分別為 G1-G8，每個(gè) IGBT模塊集成反并聯(lián)續(xù)流二極管，分別為 D1-D8，四個(gè)鉗位二極管為Dc1-Dc4，C1和C2為支撐電容。輸入側(cè)直流電壓為Ud，/2，/2，O為鉗位中性點(diǎn)。輸出側(cè)電壓為UAB。

PWM移相控制策略下，H橋右側(cè)橋臂控制脈沖滯后左側(cè)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(kāi)關(guān)函數(shù)的建模需要考慮三電平H橋中開(kāi)關(guān)的狀態(tài)組合，分析H橋輸出與開(kāi)關(guān)狀態(tài)的關(guān)系。H橋由左右兩側(cè)橋臂組成，每個(gè)橋臂的四個(gè)開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)組合決定了對(duì)應(yīng)橋臂的輸出。單個(gè)橋臂中有4個(gè)開(kāi)關(guān)管，每個(gè)開(kāi)關(guān)管對(duì)應(yīng)閉合與斷開(kāi)2種狀態(tài)，共有24=16種狀態(tài)組合。此處限于篇幅，只對(duì)PWM移相控制策略下的有效開(kāi)關(guān)組合情況作以列舉說(shuō)明。

圖2 三電平H橋逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

如圖3(a)所示，1表示開(kāi)關(guān)閉合，0表示開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。超前橋臂控制脈沖在一個(gè)周期內(nèi)有 3種開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合，對(duì)應(yīng)G1，G2，G3，G4的狀態(tài)組合分別為1100，0110，0011。超前橋臂的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)與輸出分析如表1所示。

表1 H橋超前橋臂單元開(kāi)關(guān)狀態(tài)與輸出分析

4 三電平H橋逆變電路的開(kāi)關(guān)函數(shù)建模

將每個(gè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)設(shè)為一個(gè)函數(shù) SF，SF取0時(shí)表示開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，SF取1時(shí)表示開(kāi)關(guān)閉合，即開(kāi)關(guān)函數(shù)是由1和0組成的邏輯序列，設(shè)超前橋臂的四個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)函數(shù)分別為SF1，SF2，SF3，SF4。根據(jù)圖3，可以給出SF1 和SF2的開(kāi)關(guān)函數(shù)。

SF3和SF4的值可由下式?jīng)Q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(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)函數(shù)SF5，SF6，SF7，SF8的確定方法相同，相位滯后α角。

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

滯后橋臂：

輸出電壓：

由于以上所定義的開(kāi)關(guān)函數(shù)為0和1組成的電平序列，可得如下等式。

根據(jù)以上的公式，可建立三電平H橋的開(kāi)關(guān)函數(shù)模型?？刂泼}沖 PWM 信號(hào)賦值給SF1～SF8八個(gè)開(kāi)關(guān)函數(shù)，經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的邏輯運(yùn)算得到UAB的值。再通過(guò)controlled voltage模塊接入電路變壓器側(cè)。模型主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 開(kāi)關(guān)函數(shù)模型結(jié)構(gòu)圖

5 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證建立的開(kāi)關(guān)函數(shù)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(duì)直流變換器進(jìn)行動(dòng)態(tài)加減載的仿真，直流變換器的整體電路模型使用閉環(huán) PI算法控制，仿真步長(zhǎng)為10 μs，開(kāi)關(guān)頻率為1kHz，對(duì)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(fù)載，70%負(fù)載突加至100%負(fù)載兩種工況的仿真波形。

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

圖5 空載突加至40%負(fù)載仿真波形圖

圖6 70%負(fù)載突加至100%負(fù)載仿真波形圖

由圖5、圖6對(duì)比可知，使用Simulink模型和開(kāi)關(guān)函數(shù)模型的仿真波形基本吻合，證明了所建立的開(kāi)關(guān)函數(shù)模型的有效性。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以一種中點(diǎn)鉗位的三電平H橋直流變換器為研究對(duì)象，分析一種PWM移相控制策略，使用開(kāi)關(guān)函數(shù)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(kāi)關(guān)函數(shù)模型應(yīng)用于直流變換器的 MATLAB/Simulink模型中進(jìn)行仿真，并與Simulink庫(kù)中自帶的三電平H橋模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果基本吻合，證明了所建立開(kāi)關(guān)函數(shù)模型的有效性，對(duì)開(kāi)關(guān)函數(shù)建模方法的研究有助于電力電子電路拓?fù)浜涂刂撇呗缘难芯俊?/p>

[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.

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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(guó)家自然科學(xué)基金(51477179，51477180)

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