一种大功率三电平H桥直流变换器开关函数建模

梁旭东，范学鑫，郭鹏辉，张新生

（1．海军舟山地区装备修理监修室，浙江舟山 31600；2．海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033)

一种大功率三电平H桥直流变换器开关函数建模

梁旭东1，范学鑫2，郭鹏辉2，张新生2

（1．海军舟山地区装备修理监修室，浙江舟山 31600；2．海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033)

开关函数的建模方法是研究电力电子变换电路和控制策略的一种有效手段。本文以一种三电平 H桥直流变换器为研究对象，基于PWM移相控制策略和开关函数建模方法，搭建了三电平H桥逆变单元的开关函数模型，在MATLAB上开展变换器不同工况下的仿真研究，并与Simlink库自带的H桥逆变器模型仿真结果对比，验证开关函数建模的有效性。

三电平H桥直流变换器 PWM 移相控制策略 开关函数

0 引言

与传统的两电平拓扑结构相比，三电平以及多电平拓扑结构的直流变换器能够解决电力电子器件的耐压和开关功率约束的问题，已经在高压直流输电、中高压大容量变频器、分布式发电等领域广泛应用[4,5]，已成为近年来的研究热点。

开关函数的概念和建模方法已经在电力电子建模研究中取得了广泛的应用[3]，它以数学语言描述开关的动作状态，列写电路方程，分析电路的工作状态和运行过程，具有较强的实用性，有助于对电力电子电路开关变化过程的理解和研究。本文以一种二极管中点钳位的三电平H桥直流变换器为对象，建立变换器的开关函数模型，与MATLAB/Simulink库中的三电平 H桥模型进行仿真试验对比，验证开关函数模型的有效性。

1 变换器电路拓扑

三电平H桥直流变换器主要由三电平逆变单元、中频隔离变压器、不控整流单元、LC滤波器等组成，其电路原理图如图1所示，其中三电平逆变单元是变换器的重要组成部分。直流输入电压Ud经过三电平H桥逆变单元后得到三电平交流电压，经中频隔离变压器隔离降压后，由整流桥整流并通过 LC滤波器滤波获得直流输出电压，实现DC/DC变换。

直流变换器的主要参数：额定输入直流电压Ud=4 kV；额定输出直流电压Uo=710 V；额定输出功率Pout=750 kW；变压器频率fT=1 kHz。

该变换器的主要作用是实现中压直流至低压直流的电能变换，并且实现两电网之间的电气隔离[6]。

图1 三电平H桥直流变换器主电路拓扑结构图

2 逆变单元的PWM移相控制策略

图2所示是中点钳位的三电平H桥逆变单元主电路拓扑结构，为便于分析，把逆变单元输出负载简化为阻感负载RL。三电平H桥逆变单元分为左右两个桥臂，每个桥臂四个IGBT开关管，共八个，分别为 G1-G8，每个 IGBT模块集成反并联续流二极管，分别为 D1-D8，四个钳位二极管为Dc1-Dc4，C1和C2为支撑电容。输入侧直流电压为Ud，/2，/2，O为钳位中性点。输出侧电压为UAB。

PWM移相控制策略下，H桥右侧桥臂控制脉冲滞后左侧桥臂控制脉冲α角，因此称左桥臂为超前桥臂，右桥臂为滞后桥臂。超前桥臂的控制脉冲及电压输出如图所示。而滞后桥臂的控制脉冲滞后于超前桥臂α角，其电压输出也滞后α角，因此可得H桥的电压输出如图3所示。

3 三电平H桥逆变单元单桥臂输出分析

开关函数的建模需要考虑三电平H桥中开关的状态组合，分析H桥输出与开关状态的关系。H桥由左右两侧桥臂组成，每个桥臂的四个开关管的状态组合决定了对应桥臂的输出。单个桥臂中有4个开关管，每个开关管对应闭合与断开2种状态，共有24=16种状态组合。此处限于篇幅，只对PWM移相控制策略下的有效开关组合情况作以列举说明。

图2 三电平H桥逆变器电路拓扑结构图

如图3(a)所示，1表示开关闭合，0表示开关断开。超前桥臂控制脉冲在一个周期内有 3种开关状态组合，对应G1，G2，G3，G4的状态组合分别为1100，0110，0011。超前桥臂的开关工作状态与输出分析如表1所示。

表1 H桥超前桥臂单元开关状态与输出分析

4 三电平H桥逆变电路的开关函数建模

将每个开关的开关状态设为一个函数 SF，SF取0时表示开关断开，SF取1时表示开关闭合，即开关函数是由1和0组成的逻辑序列，设超前桥臂的四个开关管的开关函数分别为SF1，SF2，SF3，SF4。根据图3，可以给出SF1 和SF2的开关函数。

SF3和SF4的值可由下式决定。

图3 三电平H桥的移相PWM控制策略及电压输出

滞后桥臂四个开关管的开关函数SF5，SF6，SF7，SF8的确定方法相同，相位滞后α角。

根据表1及式(1)(2)(3)，可以推导出三电平H桥逆变单元的输出电压和输出电流表达式。超前桥臂：

滞后桥臂：

输出电压：

由于以上所定义的开关函数为0和1组成的电平序列，可得如下等式。

根据以上的公式，可建立三电平H桥的开关函数模型。控制脉冲 PWM 信号赋值给SF1～SF8八个开关函数，经过对应的逻辑运算得到UAB的值。再通过controlled voltage模块接入电路变压器侧。模型主要结构如图4所示。

图4 开关函数模型结构图

5 仿真实验验证

为验证建立的开关函数模型的正确性，分别使用该模型和Simulink自带的三电平逆变桥模块对直流变换器进行动态加减载的仿真，直流变换器的整体电路模型使用闭环 PI算法控制，仿真步长为10 μs，开关频率为1kHz，对比使用两种模型下的输出电压和输出电流波形。限于篇幅，以下列举空载突加至40%负载，70%负载突加至100%负载两种工况的仿真波形。

图5所示为空载突加至40%负载仿真波形图，图6所示为70%负载突加至100%负载仿真波形图，其中(a)(c)分别为使用Simulink模型和开关函数模型的输出电压波形图，(b)(d)分别为使用Simulink模型和开关函数模型的输出电流波形图。

图5 空载突加至40%负载仿真波形图

图6 70%负载突加至100%负载仿真波形图

由图5、图6对比可知，使用Simulink模型和开关函数模型的仿真波形基本吻合，证明了所建立的开关函数模型的有效性。

6 结束语

本文以一种中点钳位的三电平H桥直流变换器为研究对象，分析一种PWM移相控制策略，使用开关函数的建模方法建立了H桥逆变单元的电路模型。将所建立的开关函数模型应用于直流变换器的 MATLAB/Simulink模型中进行仿真，并与Simulink库中自带的三电平H桥模型仿真结果进行对比，结果基本吻合，证明了所建立开关函数模型的有效性，对开关函数建模方法的研究有助于电力电子电路拓扑和控制策略的研究。

[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, 聂一雄. 基于开关函数的三相电压源型逆变器的新型仿真模型[J]. 电力系统保护与控制, 2009, 37(11): 74-77.

[3] 杨孝志. 基于开关函数的电压型整流器的仿真研究[J]. 电气传动自动化, 2007, 29(4): 14-16.

[4] 谢桢, 付立军, 肖飞, 等. 三电平直流变换器平衡中点电位的双移相 PWM 控制研究[J].西安交通大学学报, 2013, 47（4）: 64-72.

[5] 杨国润, 肖飞, 范学鑫, 等. 一种四关动作的高压大功率三电平变流器双脉冲测试方法[J].中国电机工程学报, 2015(3): 695-701.

[6] 谢桢, 魏建勋, 付立军, 肖飞, 王恒利. 三电平H桥直流换流器电流连续模式下的建模与控制器设计[J]. 电网技术, 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

国家自然科学基金(51477179，51477180)

梁旭东(1966-)，男，高级工程师。研究方向：舰船电力系统。E-maill: fxxaim0224@163.com