劉 明，李盛雄，王利琴

?

并聯(lián)Buck TL直流變換器控制研究

劉 明1，李盛雄1，王利琴2

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064；2.湖北省電力公司檢修公司, 武漢430060）

為了降低開關(guān)管電壓應(yīng)力和提高負(fù)載功率，本文提出了并聯(lián)三電平直流變換器方案。分析了三電平直流變換器的工作原理及其控制策略，在 Matlab/Simulink 平臺上搭建仿真模型，實(shí)現(xiàn)了輸出電流均流和飛跨電容穩(wěn)壓控制，驗(yàn)證了并聯(lián)三電平直流變換器拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，樣機(jī)試驗(yàn)表明了該變換器及其控制的合理性和有效性。

三電平 均流 飛跨電容 控制策略

0 引言

三電平（Three-level，TL）直流變換器具有降低開關(guān)管電壓應(yīng)力，減小輸入輸出濾波器等優(yōu)點(diǎn)，適用于高輸入/輸出電壓的功率變換場合[1]。與兩電平直流變換器相比，三電平直流變換器的電感電流紋波更小。從變換器拓?fù)渖蟻碚f，三電平變換器使用了較少的無源元件，便于系統(tǒng)集成。但是，要實(shí)現(xiàn)三電平直流變換器的優(yōu)點(diǎn)，必須保證飛跨電容電壓的穩(wěn)定[2]。

在實(shí)際電路中，由于各開關(guān)管的開關(guān)特性和占空比不可能做到完全一致，常導(dǎo)致飛跨電容電壓偏離平衡值，使得多電平變換器無法正常工作。為保證多電平直流變換器能正常工作，必須對飛跨電容電壓進(jìn)行有效的控制[3]。

此外，為了進(jìn)一步增大輸出電流提高功率，提高輸出紋波電流頻率和降低特征次諧波分量的幅值來減小濾波電感量及體積，需要多個(gè)Buck橋臂并聯(lián)的方式。但由于并聯(lián)橋臂開關(guān)器件特性的不一致、驅(qū)動(dòng)電路的不對稱等，實(shí)際中會(huì)出現(xiàn)橋臂電流不均衡的情況。

因此在采用并聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式電源系統(tǒng)的同時(shí)，必須采取一定的措施來保證每個(gè)模塊平均分擔(dān)輸出電流（即所謂的均流），只有這樣，方能保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作，充分發(fā)揮并聯(lián)電源的優(yōu)點(diǎn)[4]。

本文綜合考慮多方面運(yùn)行條件因素，通過建立四橋臂并聯(lián)三電平Buck電路仿真模型以超級電容為模擬負(fù)載來研究主電路特性，可進(jìn)一步降低三電平技術(shù)方案的研制風(fēng)險(xiǎn)。限于現(xiàn)有試驗(yàn)條件，裝置采用電阻進(jìn)行試驗(yàn)，論文最后給出試驗(yàn)結(jié)果，以驗(yàn)證本方法的有效性。

1 并聯(lián)Buck TL直流變換器仿真

1.1 Buck TL直流變換器工作原理

圖1給出了Buck TL變換器的主電路。其中，飛跨電容Cb的初始電壓U=U/2，Q1和Q2為交錯(cuò)控制其驅(qū)動(dòng)信號相差180°相角。圖2給出了Buck TL變換器的四種工作狀態(tài)。

當(dāng)開關(guān)管的占空比D>0.5時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期的一段時(shí)間內(nèi)Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，其余時(shí)間內(nèi)只有Q1或Q2導(dǎo)通；當(dāng)開關(guān)管的占空比D<0.5時(shí)，在1 個(gè)開關(guān)周期，一段時(shí)間內(nèi)只有Q1或Q2導(dǎo)通，其余時(shí)間內(nèi)Q1和Q2都關(guān)斷。

當(dāng)Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓為負(fù)載提供能量，濾波器上的電壓U=U；當(dāng)Q1導(dǎo)通Q2關(guān)斷時(shí)，輸入電壓與飛跨電容的壓差向負(fù)載提供能量，U=U/2；當(dāng)Q1關(guān)斷Q2導(dǎo)通時(shí)，飛跨電容Cb向負(fù)載提供能量，U=U/2；當(dāng)Q1和Q2同時(shí)關(guān)斷，濾波電感電流通過D1和D2續(xù)流，U=0。

無論占空比大于或小于0.5，當(dāng)濾波電感電流連續(xù)時(shí)，Buck TL變換器輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為U/U=[5]。

1.2 四橋臂并聯(lián)Buck TL變換器仿真模型的建立

為提高輸出電流等級，本文采用四橋臂BUCK TL并聯(lián)結(jié)構(gòu)，利用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真模型的建立和分析。

Kathy is a great mate, we are like sisters.凱茜是個(gè)很好的伙伴，我們親如姐妹。

1)控制策略選擇

為了實(shí)現(xiàn)四橋臂并聯(lián)Buck TL變換器的穩(wěn)壓均流要求，仿真模型采用了以下兩種控制策略：

a)飛跨電容電壓穩(wěn)壓策略

引入飛跨電容電壓均衡控制，對每個(gè)橋臂的占空比進(jìn)行微調(diào)，使飛跨電容電壓維持在輸入電壓一半附近，圖3給出了變換器輸出限壓恒流帶飛跨電容微調(diào)的控制策略。

b)并聯(lián)橋臂均流策略

圖4所示為四橋臂并聯(lián)Buck TL直流變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。四個(gè)橋臂之間通過移相控制技術(shù)以減小輸出總電流紋波，每個(gè)橋臂的電流單獨(dú)控制，電流給定為總電流的四分之一。

2)仿真參數(shù)設(shè)定

本文建立的仿真模型為一個(gè)大電容快速充電裝置，輸入電源端設(shè)有6 mF的穩(wěn)壓支撐電容，輸出端為200 F的電容，輸入額定電壓1500 V，輸出額定電流1800 A。

1.3 四橋臂Buck TL直流變換器仿真分析

總輸出電流給定1800 A，斜坡給定斜率為3600，仿真時(shí)間1 s，仿真結(jié)果如圖5～8所示。其中，圖5為輸出總電流和輸出電壓的仿真曲線，圖6為輸出總電流的瞬時(shí)波形仿真曲線，圖7為四個(gè)支路電流的瞬時(shí)波形仿真曲線，圖8為飛跨電容的瞬時(shí)電壓波形仿真曲線。

由圖5～8可以看出，仿真模型的總電流輸出曲線和輸出電壓曲線均穩(wěn)步上升，0.5 s之后輸出總電流達(dá)到1800 A實(shí)現(xiàn)恒流控制，負(fù)載電容電壓線性上升；總電流瞬時(shí)波形的最大脈動(dòng)為40 A，只有直流分量的2.2%，電流輸出穩(wěn)定；在仿真過程中，四個(gè)支路的輸出電流波形大小和變化趨勢非常一致，體現(xiàn)了均流控制的效果；一個(gè)開關(guān)頻率內(nèi)支路電流波形相互之間相移90°，總輸出電流的波形是四個(gè)支路波形的疊加，因此諧波頻率是支路電流諧波頻率的4倍，有利于減小輸出濾波電感體積；由于飛跨電容微調(diào)控制的存在，四個(gè)橋臂飛跨電容的電壓維持在支撐電容電壓的一半750 V附近，體現(xiàn)了穩(wěn)壓控制的效果。

仿真結(jié)果證明了四橋臂Buck TL直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略的可行性，符合設(shè)計(jì)要求。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證四橋臂Buck TL直流變換器及其控制策略的可行性，開發(fā)了四橋臂Buck TL直流變換器樣機(jī)并完成了1 MW功率等級下的電阻性負(fù)載限壓恒流試驗(yàn)。圖9為試驗(yàn)樣機(jī)外觀。

采用阻性負(fù)載時(shí)，隨著負(fù)載電流的增大，電阻上的電壓將會(huì)逐漸增加，因此通過將負(fù)載電流逐漸增大的方式即可模擬負(fù)載電容電壓的變化對控制系統(tǒng)影響。負(fù)載電流變化時(shí)的電壓電流波形如圖 10所示。

圖9 四橋臂Buck TL直流變換器樣機(jī)外觀

圖10 斜坡給定時(shí)電壓電流變化

圖中1通道為負(fù)載電流，2通道為負(fù)載電壓，可以看出當(dāng)電流在10 s內(nèi)由0A變化為740 A時(shí)，電壓在10 s內(nèi)由0 V變化為680 V時(shí)，電壓能穩(wěn)定的跟隨電流變化而變化無振蕩發(fā)生。試驗(yàn)結(jié)果證明了四橋臂Buck TL直流變換器主電路結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可行性。

3 總結(jié)

Buck TL變換器可以使各個(gè)開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力變?yōu)閭鹘y(tǒng)BUCK變換器的一半，減少了開關(guān)管成本，更適合高輸入電壓的應(yīng)用場合。多橋臂并聯(lián)的方式可以有效降低電流紋波，同時(shí)提高了輸出電流等級。飛跨電容穩(wěn)壓控制可以保證飛跨電容電壓在輸入電壓的一半附近。本文從理論學(xué)習(xí)、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)方面說明了四橋臂Buck TL直流變換器及其控制策略的可行性。

[1] 阮新波. 三電平直流變換器及其軟開關(guān)技術(shù)[M]. 科學(xué)出版社, 2006.

[2] 單國棟. 三電平 Buck 直流變換器控制策略研究[D]. 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2012.

[3] 張?jiān)獘? 多電平直流變換器中飛跨電容電壓的一種控制策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24(8):34-38.

[4] 梁鋒. DC/DC變換器并聯(lián)均流與交錯(cuò)控制研究[D].清華大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2004.

[5] 胡斌,楊中平,黃先進(jìn),史京金,趙煒, 用于超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的三電平雙向直流變換器及其控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(8): 83-88.

Study on Control Strategy of Paralleled Three-level Buck Converter

Liu Ming1, Li Shengxiong1, Wang Liqin2

(1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China；2.Maintenance Company, Hubei Electric Power Company, Wuhan 430060, China )

TM463

A

1003-4862（2017）07-0051-04

2017-05-15

劉明（1987-），男，助工。研究方向：電機(jī)控制。