学术简报｜级联H桥整流器稳定运行区域和直流侧电压平衡策略的调节能力分析
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北京交通大学电气工程学院的研究人员王昕、王琛琛、顾长彬，在2019年第14期《电工技术学报》上撰文，对级联型整流器稳定运行区域（稳定域）的分析以及不同直流侧电压平衡控制策略的评估至关重要。针对多级级联H桥整流器稳定域却鲜有分析且没有一种适用范围较广的直流侧电压平衡控制策略评估方法，因此提出一种基于相量图的多级级联H桥整流器稳定域的通用分析方法，定义功率偏差系数来分析不同直流侧电压平衡控制策略的调节能力。
建立级联H桥整流器直流侧电压数学模型，分析两级和多级级联H桥整流器的稳定域，给出以调制比调节法为例的功率偏差系数数学表达式。因此，对四级级联H桥整流器多种工况下调制比调节法所能达到的功率偏差系数范围进行求解，并对这些工况进行仿真和实验，验证了所提出的分析方法的有效性和准确性。
近年来，电力电子技术不断应用在高压大功率场合。由于受器件耐压条件的限制，多电平变换器拓扑结构及其相关控制理论等受到国内外学者的广泛研究。其中，级联H桥（Cascaded H-Bridge, CHB）结构由于其模块化、易于实现高压输出和良好控制性能成为被广泛研究应用的拓扑之一。该CHB结构被应用于同步整流器、逆变器、静止无功补偿器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）、有源滤波器、可再生能源系统、电机驱动等不同场合。
作为CHB结构的一种典型应用，级联H桥整流器（Cascaded H-Bridge Rectifier, CHBR）的一个重要目标是维持直流侧电压稳定，包括维持总的直流母线电压恒定以及各级H桥单元直流侧电压平衡。因此如何快速准确地保持直流侧电压平衡显得十分重要，也成为各国学者广泛研究的热点。
针对需要维持直流侧电压平衡的不同场合，文献[10-18]提出了不同的直流侧电压平衡控制策略。
文献[10]提出了一种基于低频步进调制的控制方案。该种直流侧电压控制策略通过查表选择开关冗余状态来控制直流侧电容电压平衡，但是随着级联数目的增多，开关冗余状态增加，计算变得复杂，难以应用于多级CHBR。
文献[11]介绍了一种考虑能量平衡的无源控制策略。该策略通过对CHBR的解耦实现对各级H桥单元的能量控制，从而实现对各级直流侧电压的控制。控制中采用设计适当的无源性控制器件实现对H桥的完全解耦。但是该种无源系统的参数设计比较复杂，不适合多级CHBR使用。
文献[12-13]讨论了使用混合调制策略，它利用了低频（阶梯式调制）和高频脉宽调制技术的优点，但是该方法计算量过大，导致对硬件和软件资源的需求增加。
文献[14-16]提出了基于载波相移调制技术的平衡策略，通过调节各级调制电压的相位和幅值实现各级模块之间的功率平衡。实现简单，应用范围较广。
文献[17-18]介绍了其余CHB变换器的直流侧电平衡控制策略。
CHBR的直流侧平衡控制策略已被广泛研究，但是鲜有文献提出同一个标准来评估不同直流侧电压平衡控制策略的调节能力。
文献[19]提出稳定域的概念，介绍了基于矢量模型稳定域的一般分析方法，但是并没有提供具体的数学表达式，且这种分析方法仅适用于两级CHBR。
文献[20]中，以静止无功补偿器为对象，介绍比较了三种平衡策略的调节能力，但是该分析方法并不适用于CHBR。
本文针对该缺点，基于多级CHBR稳定域提出一种适用范围较广的方法来分析比较CHBR不同直流侧平衡控制策略的调节能力和各级允许的负载功率。同时，文中定义功率偏出系数作为判断各级是否稳定工作的判断变量，该变量同时可为实际应用中系统参数设计提供参考。
本文对CHBR结构和控制策略进行介绍，推导了两级CHBR与多级CHBR的稳定域模型，定义了功率偏差系数，并给出其数学表达式。最后，仿真和实验验证了所提方法的有效性。
图11 四级CHBR实验平台
对于级联H桥整流器，如何保持各级H桥直流侧电压平衡是其中的一个重要环节。为了保障整流系统安全可靠，需要评估不同的直流侧电压平衡控制策略的调节能力。针对这一目标，本文对CHBR工作的稳定域进行深入分析，并提出一种适用范围较广的、可以评估不同直流侧电压平衡控制策略的分析方法。
本文对CHBR直流侧电压进行建模，分析了引起直流侧电压不平衡的影响因素，介绍了基于脉冲平衡的直流侧电压平衡控制策略的控制模型。通过对两级CHBR稳定域的分析，提出了适用于评估两级CHBR直流侧电压平衡控制策略的物理量—负载不平衡度，并以基于脉冲平衡的直流侧电压平衡控制策略为例，给出了相关数学表达式的计算方法，以及直流侧电压平衡策略调节能力评估标准。
为了适用于更广的范围，对两级CHBR稳定域进行类比，得到多级CHBR稳定域的分析方法，提出了适用范围更广的评估多级CHBR直流侧电压平衡控制策略的物理量—功率偏差系数。同样以基于脉冲平衡的直流侧电压平衡控制策略为例给出最大最小功率偏差系数表达式的计算方法以及直流侧电压平衡策略调节能力的评估标准。最后，以四级CHBR为研究对象，对调制比调节法的调节能力进行了理论计算、仿真与实验验证，结果均证明所提方法的正确性及有效性。