H桥级联变流器直流侧电容电压的控制策略仿真

商姣　钱金跃　施浩强　赵成龙

【摘 要】直流电容电压的稳定是H桥级联变流器全可靠运行的关键。本文介绍了一种H桥直流电容电压的分层控制策略。在MATLAB/simulink中搭建了仿真模型，仿真结果说明该策略能使直流侧电容电压保持稳定，具有一定的工程应用价值。

【关键词】H桥级联；电容电压均衡控制；MATLAB/simulink仿真

0 引言

随着国民经济增长，社会对电力的需求越来越大，电力电子器件被广泛应用于高压大功率场合，如静止同步补偿器（STATCOM）、有源电力滤波器（APF）等。在电力电子拓扑中，级联型结构可以通过增加单元的级联数量，方便地提高变流器输出的电压和功率等级；其中，H桥级联型变流器由于各单元直流侧独立，所以广受青睐。

H桥变流器的应用难点之一在于直流侧电容电压的平衡控制。文献[1]通过外加平衡控制电路，以硬件手段实现，需要增加隔离变压器和二极管整流电路，增加了装置的成本和体积。文献[2]通过调节输出电压和电流之间的相位差来实现，但该方法调节相位的幅度小，控制能力较弱，且计算量大。

本文通過控制微调各H桥的调制电压来实现直流侧电压的均衡控制，无需配置额外的硬件电路。在MATLAB/simulink中建立仿真模型，验证各H桥存在参数差异时，在所设计的控制方案下，各H桥的直流侧电压能否保持稳定。

1 H桥直流侧电压控制策略

单相级联H桥变流器的主电路拓扑如图1所示，以3个单元级联为例。其中，us为电网电压，i为变流器电流。

第一层的控制原理框图如图2（a）所示，直流侧的电压给定值为u，实际电压为udc，udc与u两者的差值经过PI调节器后，再乘以电网电压us 得到有功电流指令ipref，将其叠加到电流指令中就可实现对直流侧总电容电压的控制。

第二层的控制原理框图如图2（b）所示，其主要思想就是在每个H桥的调制电压上叠加一个微调量调节H桥的有功功率。当直流电压高于平均电压时，微调量为正，向电网中释放有功，电容电压下降；反之，微调量为负，从电网中吸收有功来升高电压。3个H桥直流电压分别为udc1、udc2、udc3，将平均值与直流电压的差值送入PI调节器后乘以变流器电流i，分别叠加到变流器的调制波vr上，得到2个H桥的均压指令分别为vr1，vr2。由于均压控制有功在H桥之间流动，所以总有功变化为零，因此最后一个H桥的均压指为-（vr1+vr2）。

1.2 电容电压不平衡原因

由文献[4]知，开关损耗差异、并联型损耗差异是造成电容电压不平衡的主要原因；谐波、串联型损耗差异不影响电容电压平衡；电容器容量差异只会影响电压的动态过程，与稳态分配无关。因此，在仿真模型中，将H桥直流侧并联受控电流源以模拟开关损耗，电流源的大小与逆变器电流的有效值成正比；将H桥直流侧并联电阻以模拟并联型损耗。

2 仿真结果

在MATLAB/simulink中建立仿真模型，系统电压为220V，电抗器为1mH，变流器发出20A容性无功，H桥直流电容均为1000μF，指令电压为200V。通过改变受控电流源电流和并联电阻的大小以模拟3个H桥的参数差异。

假设各H桥初始电压均为200V。当系统没有电容电压平衡控制的仿真波形如图3（a）所示，随后偏差逐渐增大，最终发散；在加入电容电压平衡控制后，直流侧电容电压的仿真波形如图3（b）所示，三个H桥的直流侧电容电压最后都稳定在200V，达到了预期的控制目标。

（a）没有电容电压平衡控制

（b）有电容电压平衡控制

3 结论

H桥级联变流器在电能质量治理领域具有广泛应用，如STATCOM和APF等。本文介绍了一种直流侧电容电压分层控制策略，实现方便；在各H桥参数存在明显差异时，该策略能够保持各H桥直流侧电容电压恒定，具有较高的工程应用价值。

【参考文献】

[1]魏文辉，滕乐天，刘文华，等.基于链式逆变器的大容量STATCOM的直流电压平衡控制[J].电力系统自动化，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]杨晶.基于多电平技术的链式静止无功发生装置的研究[D].南京：东南大学，2013.

[4]耿俊成，刘文华，袁志昌.链式STATCOM电容电压不平衡现象研究[J].电力系统自动化，2003，27（16）：56-57.

[责任编辑：田吉捷]