基于預測PI的級聯H橋整流器準比例諧振控制研究

盧紹群

摘? 要：文章以單相級聯H橋整流器為研究對象，主要從系統雙閉環控制和直流側電容電壓平衡控制方面入手對其實現方法進行優化，以解決現有控制方案電流諧波含量大，電容電壓均衡效果差等缺點。文章中電流環控制采用準PR控制，電容電壓均衡采用預測PI控制，并通過仿真分析驗證了文章所提優化控制方案的優越性。

關鍵詞：級聯型H橋整流器;PWM調制;雙環控制;電容電壓平衡控制

中圖分類號：TM461? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）22-0025-03

Abstract： In this paper， the single-phase cascaded H-bridge rectifier is taken as the research object， and its realization method is optimized mainly from the aspects of double closed-loop control and DC-side capacitor voltage balance control， in order to solve the shortcomings of the existing control schemes， such as high current harmonic content and poor capacitor voltage balance effect. In this paper， quasi PR control is used for current loop control and predictive PI control is used for capacitor voltage equalization. The superiority of the optimal control scheme proposed in this paper is verified by simulation analysis.

Keywords： Cascade H-bridge rectifier; PWM modulation; voltage and current control; DC-side capacitor voltage balance control

目前關于級聯型H橋整流器的研究有很多，其研究的主要目標為提高輸入側功率因數、降低諧波含量，提高直流側輸出電壓穩定以及實現各級聯模塊直流側電容電壓的均衡控制等。針對上述控制目標，國內外學者對級聯H橋做了很多研究。文獻[1-4]主要從調制方式入手，研究調制形式對H橋整流器的諧波含量以及電容電壓均衡的影響，比如載波移相、載波輪換、載波層疊以及相應的改進方案等。文獻[5-6]主要從控制策略入手，以實現級聯H橋整流器的電壓均衡和功率均衡問題。目前關于級聯H橋整流器的解決方案很多，但只能針對性的對某一問題進行解決或者隨著系統級聯數目的增加，系統控制變的冗余復雜。

本文將從級聯H橋整流器的整體控制方案入手并結合傳統控制策略，提出了一種PI+預測的電壓均衡控制方法，即使在負載不平衡的情況下也能快速實現電容電壓的平衡。本文在理論分析的基礎上，通過仿真實驗證明了本文所述整體控制方案的有效性和可行性。

1 級聯型H橋整流器數學模型

理論上H橋整流器的級聯個數需要根據實際需求確定，本文以n模塊級聯為例進行說明，其拓撲結構如圖1所示。Us為交流電壓，L為平波電抗器，Udcn為各模塊直流側電壓，Rn為直流側負載。

為了便于數學建模，假定各電路器件均為理想器件，可定義理想開關函數Sna、Snb，同時結合級聯型H橋整流器的主電路拓撲，可以得到其數學模型

單個H橋整流橋輸入電壓、電流與開關函數之間的函數關系為

然后根據開關函數與電壓電流的關系，可以將上式數學模型寫成以下形式

2 級聯H橋整流器控制系統設計

2.1 基于準PR的電流內環設計

由于單相H橋整流器的電流為交流量，如果用PI控制無法實現無靜差控制，所以當采用PI調節時一般需要進行坐標虛擬變換，變換后的H橋整流器存在耦合量，導致控制系統復雜化，所以本文電流內環采用PR控制。PR調節器的傳遞函數為：

PR控制器在基波頻率出的增益很大，可以實現并網電流的基波分量無靜差調節。但是由于實際電網頻率具有波動性，當電網頻率偏離PR調節器的基波頻率時，PR調節器提供的增益將迅速下降，使得并網電流穩態誤差增大。所以本文對PR調節器進行了一定處理，其傳遞函數為：

這樣不僅可以實現并網電流的無靜差調節還可以減小電網頻率波動對控制器諧振點造成的影響[6]，改進后的PR調節器可以在較寬的頻帶內獲得較高的增益，提高了對電網頻率的適應性。

2.2 基于PI的電壓外環設計

由于級聯型H橋是串行連接，通過每個H橋模塊的電流相同，所以級聯型H橋的電壓外環控制需建立在同一個電流內環的基礎之上。分析電壓外環控制需要從功率守恒的角度入手，在一個工頻周期內，電網輸入有功功率等于整流器直流側輸出功率。電壓外環的控制目標在于保證級聯H橋整流器直流母線總體電壓恒定，級聯型H橋整流器的雙環控制結構如圖2所示。其中外環控制器采用PI調節器，內環電流控制器采用上節所提的準PR控制器。

3 基于預測PI的直流側電容電壓均衡控制

對于級聯型H橋整流器而言，直流側各級模塊電容電壓的均衡控制是控制的重點和難點。造成直流側電容電壓不均衡的原因有很多，比如調制方式的不同、開關延時、負載變化以及硬件參數的不一致等。目前實際常用的控制策略有電壓排序平衡控制，脈沖補償平衡控制等。由于排序法屬于開環控制，抗干擾能力較弱，所以本文將在脈沖補償平衡的方法上進行優化。

脈沖補償平衡控制的原理為根據電壓各級模塊實際直流電壓與平均電壓的差值求得占空比的補償量，通過修正各模塊占空比，從而實現直流側電容電壓的均衡控制。下面分析調制比與直流電壓的關系，假設第n個H橋的調制比為dn，從而在一個開關周期內有

此外根據電荷守恒定律有

從上式可以看出直流側各級模塊的直流電壓偏差與調制比有直接關系，所以我們可以通過增加一個調制比增量來調整直流側電壓的偏差。加入調制比增量后進一步整理有

本文在傳統的PI調節部分加入預測環節，即采用預測PI控制代替傳統PI調節進行電容電壓均衡控制，如圖3所示。加入預測環節的PI調節器傳遞函數如式10所示，其中m為采樣滯后次數。

由其結構可以看出預測PI控制算法不僅具有PI算法的功能，而且能夠對控制對象發生變化時進行預測，能夠消除控制作用的盲目性，是對傳統PI控制的補充優化。

4 仿真驗證

4.1 傳統PR與準PR控制的對比仿真

本文根據級聯型H橋整流器的拓撲結構搭建了四模塊級聯型的MATLAB仿真模型。各部分仿真參數設置如表1。

仿真對比如圖4所示，采用傳統PR控制時，交流電流的THD為4.30%，而采用準PR控制時，交流電流的THD為1.59%，可見準PR控制能夠獲得更好的波形質量。

4.2 傳統PI與預測PI控制的對比仿真

圖5為初始電容電壓不均衡的情況下，采用傳統PI控制的級聯型H橋整流器直流側電容電壓的仿真波形。圖6為初始電容電壓不均衡的情況下，采用預測PI控制的級聯型H橋整流器直流側電容電壓的仿真波形。

從圖中可以看出，采用預測PI控制的電容電壓均衡控制，能夠使電容電壓紋波更小，且幅值更穩定，從而證明了本方案的合理性與可行性。

圖7為負載不平衡下，基與傳統PI調節的直流電容電壓均衡情況。圖8為負載不平衡突變的情況下，基于預測PI的直流電容均壓情況。經過對比發現，基于預測PI的電容電壓均衡策略比傳統PI調節更有效，輸出電壓紋波更小。此外在負載發生突變時，基于預測PI的電容電壓均衡策略電容電壓調節響應更迅速，偏差更小。

5 結論

本文根據級聯型H橋整流器的工作原理，搭建了相應的仿真，通過仿真分析證明了本文所述級聯型H橋整流器的電流環準PR調節的可行性，能夠獲得更好的波形質量。同時證明了本文所述預測PI控制比傳統PI調節對電容電壓均衡控制更有效，也為級聯型H橋整流器的大規模工程應用提供了寶貴經驗。

參考文獻：

[1]電力電子變壓器機車網側級聯H橋整流器電容電壓平衡方法[D].西南交通大學，2015.

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[3]蔡信健，吳振興，孫樂，等.直流電壓不均衡的級聯H橋多電平變頻器載波移相PWM調制策略的設計[J].電工技術學報，2016，31（1）：119-127.

[4]王聰，張國澎，王俊，等.一種適用于級聯H橋整流直流側電容電壓快速平衡的新型調制方法[J].電工技術學報，2013，28（8）：120-127.

[5]王志冰，于坤山，周孝信.H橋級聯多電平變流器的直流母線電壓平衡控制策略[J].中國電機工程學報，2012，32（6）：56-63.

[6]并網型級聯H橋變換器直流電壓平衡和功率均衡控制策略[J].電力自動化設備，2014，34（1）：55-60.