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摘 要

H桥级联换流器具备模块化﹑耐高压﹑扩展性强等优点，是电力系统的热门研究内容，在无功补偿方面有着极大的应用价值和美好前景。但是H桥级联换流器依然存在一个关键问题，就是模块直流侧电压电压的不平衡。首先对现有H桥级联换流器的工作原理和调制策略进行分析和研究，接着针对直流侧电容电压不平衡这一问题，采用分层控制策略，第一层控制级联H桥直流侧平均电压，第二层控制每个H桥模块的直流侧电压，最后应用仿真软件PSIM，搭建了H桥级联换流器仿真模型，得到直流侧电容电压的仿真波形，验证了调制策略和直流侧电压控制策略的有效性。

关键词：H桥级联；直流侧电容电压平衡；分层控制

A Study on the Control Strategy of Capacitor Voltage on DC Side of H Bridge Converter

Abstract

H bridge cascade converter has the advantages of modularization, high voltage resistance and strong expansibility. It is a hot research content of power system and has great application value and bright prospect in reactive power compensation. First, the working principle and modulation strategy of the existing H bridge cascade converter are analyzed and studied, then for the DC side capacitor voltage imbalance, the first layer controls the average voltage of the cascade H bridge, controls the DC side voltage of each H bridge module, and finally the simulation software PSIM, builds the simulation model, obtained the simulation waveform of the DC side capacitor voltage, and verified the effectiveness of the modulation strategy and DC side voltage control strategy.

Keywords:H bridge cascade，DC side capacitor voltage balance，layered control

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引 言 1

1.1 课题的研究背景与意义 1

1.2 课题的研究发展现状 1

1.3 课题的研究内容 2

第二章 H桥级联换流器的基本结构及组成部分 3

2.1 换流器的结构 3

2.1.1 换流器的类型 3

2.1.2 换流器的应用 5

2.1.3 常见多电平逆变器 5

2.2 单相级联H桥换流器 6

2.2.1 H桥的基本结构及工作原理 6

2.2.2 单相级联H桥电路 8

2.2.3 模块化多电平与级联H桥换流器的区别 8

第三章 直流侧电容电压控制策略 10

3.1 直流侧电容电压不平衡 10

3.1.1 直流侧电容电压不平衡的原因 10

3.1.2 直流侧电容电压不平衡的解决方法 11

3.2 H桥直流侧电压控制策略 11

3.2.1 H桥直流侧电压控制原理及方法 11

3.2.2 载波移相PWM调制策略 12

第四章 仿真分析 13

4.1 H桥直侧电容电压仿真波形仿真分析 13

4.1.1 系统没有电容电压平衡控制 14

4.1.2 系统有电容电压平衡控制 14

第五章 结束语 16

致 谢 17

参考文献 18

第一章 引 言

1.1 课题的研究背景与意义

随着国民经济与科技的飞速增长，人民的生活质量与幸福指数越来越高，在社会生活中对电力的需求也越来越大﹑要求也越来越高。电力电子器件在高压大功率等许多的场合都有被很好的应用，各种各样的电子技术都得到了飞跃式的发展。在这其中的桥式级联类型的换流器由于各单元直流侧相互独立，级联型结构可以实现每个单元的级联连接，并且提高了换流器输出的电压和功率等级，因此这个拓扑结构受到了广泛青睐。虽然H桥级联换流器具有很多优点，例如结构简单、易模块化实现等。但是依然存在着一个重要的难题限制其的广泛应用，就是直流电容电压难以实现平衡控制。本文介绍了H桥级联换流器的工作原理，研究直流侧电压控制策略，并搭建仿真模型验证。仿真模型结果了说明该策略能使直流侧电容电压保持稳定，验证了该控制方法的有效性，对工业应用、学术研究都具有一定的价值。

1.2 课题的研究发展现状

H桥换流器的直流电容器是相互独立的。为了保证设备运行的可靠性和安全性，需要让每个器件上的电压维持一致。因此，对电容电压不平衡原理的研究是制定电压平衡控制策略的根本^[1]。文献[1]中，H桥换流器运用于STATCOM。通过比较物理化实验和数字化仿真两个部分，找出电容电压的分布会受到什么要素的影响。结果表明，混合型、并联型损耗差异以及开关脉冲延时之间的差异是造成电容电压不平衡的主要原因。研究结果对于建立链式数学模型，定量分析电容电压不平衡的尺度，制定合理的平衡控制策略具有重要意义。

目前，实现直流侧电容电压平衡控制的方法有两种。第一种方法是利用外界的平衡控制，来实现电路电压的平衡^[2]。文献[2]中这种方法虽然需要条件之外的操作软件和必备的电路，使系统的可靠性大幅度下降以及成本和复杂性大幅度提升，但可以使操纵步骤的算法更加简便。第二种方法是利用自己的平衡控制，来实现电路电压的平衡。这种算法可以很好的实现电压平衡，并且不存在上述的难题，其中心思想是采用分层控制的方式。

结合H桥换流器和5MVA STATCOM的研究，确定了基于链式逆变器的STATCOM直流电容电压稳态性的数学模型。了解了电容电压不平衡的原因，研究了电压平衡调节策略，提出了基于直流母线能量交换的直流电压平衡控制方法^[3]。然后进一步研究这个方法的核心内容，提出了一种的平衡控制策略，关于上述电压极限值的追溯。对50 MVA STATCOM的PSCAD模型和±18 kvar STATCOM的实验模型进行了仿真，仿真和试验结果验证了稳态模型和控制方法的正确性和可行性^[3]。文献[3]中通过外加平衡控制电路，以硬件手段实现平衡控制，从而一定程度上解决了H桥换流器直流侧电容电压的不平衡。

在考虑交直流侧谐波相互作用的基础上，建立一种新型的直流变压控制系统的稳态工作特性模型。这个过程是基于系统方程的精确封闭解而不依赖于迭代技术，从而得到该模型的稳态运行曲线，最后与传统连续时间dq-frame模型的结果进行比较，得出传统连续时间模型的精度高度依赖于变换器的占空比的结论^[4]。文献[4]中提出了通过对输出电流与电压之间相位差的改变来解决不平衡的问题。

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