多電平變換器直流側電壓平衡控制電路

丁 娜， 舒澤亮

(西南交通大學磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室，四川 成都610031)

在二極管箝位型多電平變換器實現多電平輸出的過程中，由于變換器每個工頻周期內對每個直流電容充放電的能量不相等，因此，出現電容電壓不平衡問題.當直流電容的電壓不平衡時，每個開關器件承受的反向工作電壓也不均衡，直接影響變換器開關器件的安全. 同時由于電壓不平衡，多電平變換器甚至會退化成兩電平變換器，輸出電壓電流畸變，失去多電平所具有的諸多優點.因此，多個串聯的直流電容電壓平衡問題是該類型變換器必須解決的問題［1-7］.

為解決直流電容電壓平衡問題，已經有許多文獻進行了相關研究. 一類是通過優化PWM(pulse width modulation)調制方法［8-11］. 但是這種方法經理論分析證明平衡與穩定的條件與負載電流的相角有關，對PWM 調制深度有限制，通過安裝輔助電路可以拓展穩定域［12-13］. 另一類是通過增加輔助電路進行電容電壓平衡，包括采用電感輔助電路和電容輔助電路，其中，采用一級電感輔助電路進行電容電壓平衡控制已經在許多場合成功應用［14-16］.但是這種平衡電路只能平衡一個基本單元電路中的電容電壓，而對于兩個基本單元之間由于沒有能量交換通路使得電容電壓無法平衡.

本文針對上述缺點提出一種帶二級電感的輔助平衡控制電路，通過對輔助開關的控制讓變換器所有直流電容的電壓平衡與穩定.

1 新的平衡控制電路原理

1.1 電路結構

圖1 為n+1 電平的二級輔助電感實現所有直流電容電壓的平衡控制電路.

圖1 n+1 電平的二級電感輔助平衡電路Fig.1 The balancing circuit with two-layer auxiliary inductors for n+1-level diode-clamped converter

圖1 中:C1，C2，…，Cn為直流電容;S11，S12，…，S1n，S21，S22，…，S2(n-1)為輔助開關器件，這些器件與其鄰近的反并聯二極管D11，D12，…，D1n，D21，D22，…，D2(n-1)一起組成正向可關斷、反向可續流導通的開關.

為說明二級電感輔助平衡電路的工作原理，以五電平二極管箝位型多電平變換器主電路為例進行闡述.具體電路結構如圖2 所示.

圖2 五電平變換器的二級電感輔助平衡電路Fig.2 The balancing circuit with two-layer auxiliary inductors for 5-level diode-clamped converter

從圖2 可知，電路采用了兩級電感平衡基本電路單元.第一級平衡電路包括兩組電感基本平衡單元;第1 組平衡單元由開關器件(S11、S12)、電容(C1、C2)和電感L11組成，實現C1和C2的平衡;第2 組平衡單元由開關器件(S13、S14)、電容(C3、C4)和電感L12組成，實現C3和C4的平衡. 第二級平衡電路只包含1 組電感平衡基本單元，由開關器件(S21、S22)、電容(C2、C3)和電感L21組成，實現C2和C3的平衡.

最終，C1、C2、C3和C4在3 組兩級電感基本單元的平衡操作下實現全部電壓平衡.

1.2 控制方法

為實現電容電壓平衡，輔助電路的基本平衡單元控制遵循以下原則:(1)在一個基本單元內的串聯輔助開關管不能同時處于導通狀態，但可以同時關斷，或者一個導通一個關斷;(2)在一個開關周期Tp內，如果兩個直流電容電壓不平衡，與電壓較高的那個直流電容并聯的輔助開關管先導通.

下面具體說明整個調節過程. 假設電容電壓VC1＞VC2.

第1 步 t0＜t ＜t1，在t =t0之前，輔助開關管S11、S12均關斷，電容電壓VC1＞VC2;在t =t0時，導通S11，C1放電，L11儲能，電容電壓VC1下降，VC2維持不變，電感電流iL11從0 線性上升.

第2 步 t1＜t ＜t2，在t =t1時，關斷S11，S12維持關斷，由反并聯二極管D12提供放電電路，L11放電，C2儲能，電容電壓VC2上升，而VC1維持不變，電感電流iL11線性下降至0.

第3 步 t2＜t ＜t3，此階段S11、S12均關斷，電感電流維持0，電路進入穩態.

第4 步 t3＜t ＜t10，此階段如果電容電壓VC1＞VC2，電路重復第1 ～3 步，直至t =t10時，電容電壓VC2＞VC1，即在此階段結束時，串聯的兩個直流電容中電壓較高的是C2.

第5 步 t10＜t ＜t11，因為在t = t10時，VC2＞VC1，因此，此時導通S12，同時關斷S11.電容C2開始放電，電容電壓VC2下降，電感L11儲能，電容C1電壓維持不變.

第6 步 t11＜t ＜t12，此階段S11、S12均關斷，由反并聯二極管D11提供電感L11的放電通路，電感的儲能向電容C1釋放.電容電壓VC1升高，VC2不變，當電感電流iL11降為0 后，此階段結束.

第7 步 t12＜t ＜t13，電路進入穩態，開關管S11、S12均關斷，電感電流維持為0.

圖3 為輔助電路基本單元控制時序與電容電壓波形圖.按照以上控制過程，經過幾個開關周期，串聯的兩個直流電容的電壓將達到平衡.

圖3 輔助電路基本單元控制時序與電容電壓波形圖Fig.3 Waveforms of basic unit control sequences and capacitor voltages

1.3 輔助電感選擇

為了實現上述平衡控制，需計算輔助電感的參數.因為在一個控制周期中，輔助電感和直流側電容要進行能量的轉換，而電感量的大小限制了能量轉換的能力.

考慮到一個控制周期時間較短，電容電壓的變化很小，因此，在t0～t3段，主電路電流i1給電容C1充電的能量為

同理，這段時間主電路電流i3給電容C2充電的能量為

根據基爾霍夫電流定律，可得到

在t0～t1段，iS11=iL1，且iS12=0，根據式(3)可得

顯然平衡電感的電流iL11不會對主電路向直流側電容注入電流產生影響，也就是說，主電路的電流和平衡電感電流分別獨立控制.

在t0～t1段，不考慮電壓降，輔助電路電感L11的電流從0 線性上升，電容C1上的電壓為

在t1時刻，電感L11電流為

在t0～t1段，電感L11中儲存的能量為

在一個控制周期中電感電流下降為0，則有

根據式(1)、(2)、(7)、(8)，并考慮VC1和VC2近似等于Vdc的關系，則有

由于Tp=t3-t0，且當電容電壓平衡時電容充放電時間近似相等，即t1-t0≈t2-t1，可認為t3-t2≈0，輔助開關占空比D 應滿足

式中:Dmin、Dmax為占空比D 的最小值和最大值，Dmin應滿足開關器件的導通時間要求.

根據式(9)和式(10)，輔助電感應滿足

開關周期的選取與開關器件特性、電感大小有關.根據所選的器件查手冊確定推薦開關頻率，按照推薦開關頻率確定控制電路中的開關周期.最高開關頻率小于開關器件最大工作頻率.

2 仿真與實驗

2.1 MATLB 仿真驗證

為了驗證本文電壓平衡電路的可行性，利用Matlab/Simulink 仿真工具搭建了一個五電平的二極管箝位型變換器，分別對帶一級電感輔助平衡電路和帶二級電感輔助平衡電路兩種情況進行仿真.

仿真參數:直流電容470 μF，輔助電感1 mH，電容初始電壓50.0 V，電容電壓期望值47.5 V.

圖4 為兩種情況下電容電壓的仿真結果，系統空載啟動，在0.02 s 時加入電阻負載.

由圖4(a)可知，帶一級輔助電感平衡電路后，空載和加載情況下兩個基本單元內的電容電壓(VC1≈VC2，VC3≈VC4)均能達到平衡，但是兩個基本單元間的電容電壓不平衡(VC≠VC3).

由圖4(b)可知，帶兩級輔助電感平衡電路不管空載還是帶負載的情況下，所有電容電壓均達到平衡狀態.

圖4 直流側電容電壓波形Fig.4 Waveforms of DC bus capacitors voltages

2.2 實驗驗證

為了驗證所提平衡電路的有效性，搭建了五電平二極管箝位型多電平變換器實驗系統.分別對帶一級平衡電路和帶二級平衡電路的多電平變換器進行實驗，實驗中有一段時間切斷二級平衡電路的控制，即讓二級平衡電路中的輔助開關管不工作.

主要的實驗參數如下:電源電壓/直流側參考電壓，100 V/190 V;直流側電容，470 μF;逆變器交流側電感，15 mH;平衡電感，1 mH

圖5 為了五電平變換器直流側電容的電壓波形.由圖5 可知，當二級平衡電路不工作時，基本單元內的兩個電容電壓可以平衡，但是兩個基本單元之間電容電壓不能平衡. 當二級平衡電路工作時，五電平變換器的所有電容電壓之間可以實現平衡.

圖6 為平衡輔助電路工作和不工作時的變換器輸入線電壓和線電流的實驗波形.

圖5 五電平變換器直流側電容電壓波形Fig.5 Waveforms of DC bus capacitor voltages of 5-level converter

圖6 變換器輸入線電壓和電流波形Fig.6 Waveforms of converter output line-to-line voltages and current

從圖6 可以看出，當變換器的平衡輔助電路不工作時，變換器輸出線電壓從七電平退化成五電平，這與仿真分析一致.

3 結束語

本文提出一種帶兩級輔助電感的適用于二極管箝位型多電平變換器的直流電容電壓平衡電路.通過仿真和實驗，得到如下結論:

(1)兩級平衡電路結構簡單，可適用于任意電平變換器.

(2)平衡電路采用獨立控制，不僅可以平衡本單元內部電容電壓，還可以使多電平變換器中所有的直流電容電壓達到平衡.平衡效果良好.

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