級聯H橋整流器無電感參數電流解耦控制策略

陳龍飛 劉文壯 顧英 王毅穎

摘 要：文章針對單相級聯H橋整流器在實際中交流側電感值變化、系統不能徹底解耦、參數變化易影響系統等問題，提出一種新型電壓電流雙閉環控制策略。該策略電壓外環采用滑?？刂疲妷簝拳h采用無電感參數的電流解耦控制策略。在Matlab/Simulink軟件中建立單相兩級級聯H橋仿真模型，并在負載突變和電感突變的情況下與傳統PI控制進行對比。對比結果表明，該系統魯棒性較強，動、靜態性能優越。

關鍵詞：電力電子變壓器;單相級聯H橋整流器;滑?？刂?無電感值解耦

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）10-001-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.10.001

隨著輸配電等級的不斷提高，新型級聯型電力電子變壓器省去了傳統體積龐大的工頻變壓器，實現了網側與負載間的電氣隔離和能量雙向流動，因此得到廣泛應用。其整流級直接連接電網，采用H橋型拓撲結構，使器件串聯均壓，實現了電壓等級的提升。各橋直流側電容電壓不均衡，各參數易變化而影響系統性能是級聯拓撲結構推行亟需解決的關鍵問題[1]。該問題會對后級電路產生不同程度的影響。

文章以單相兩級級聯H橋型整流器為研究對象，研究了一種電壓外環滑?？刂?，電流環無電感參數解耦相結合的雙閉環復合控制策略，實現較強的抗干擾能力，最后通過Simulink仿真分析并與傳統PI控制對比，驗證該控制策略的可行性和有效性。

1 級聯H橋整流器數學模型

單相兩級級聯H橋整流器拓撲結構如圖1所示。圖中，es為電網電壓，is為交流側輸入電流，r為輸入側等效電阻，L為網側電感和線路等效電感之和，S1i為1橋臂的開關器件，S2i為2橋臂的開關器件，Ci、Ri、Di分別為H橋直流側電容，負載以及占空比。

根據基爾霍夫電流與電壓方程，并采用構建虛擬正交分量的方法，再經過αβ到dq變換后，得到單相兩級級聯H橋整流器的數學模型為[2]：

（1）

式中，esd、id、Dd分別為電網電壓es、輸入電流i和占空比D的d軸分量，esq、iq、Dq為上述值在q軸的分量。

2 級聯H橋整流器控制策略

2.1 電壓外環滑膜控制

設計滑?？刂破鞯哪康呐cPWM整流器的要求相一致，都為實現單位功率運行和實現直流側電容電壓平衡[3]?；：瘮祍（x）中的x變量在此選用參考變量值與實際變量值之間的誤差作為新的狀態變量，設e1=i*q-iq，e2=u*dc-udc，e3=e2=u*dc-udc

系統的滑模函數可表示為：

（2）

其中，β=k2/k1是滑?？刂频姆答佅禂?。單相PWM整流器在旋轉參考坐標系中esd=? ?2eRMS，esq=0，u*=udc，忽略開關損耗得：

（3）

將（3）代入（2），得：

2.2 電流內環無電感參數解耦控制

采用虛擬正交法，可以得到整流器輸入電壓ucon在dq坐標系下的電壓分量為：

（4）

由式（4）可以看出id、iq之間有耦合關系。由式（4）可以推導出單相級聯H橋整流器靜止αβ坐標系下的方程為：

（5）

經過αβ到dq變換過程中，用旋轉坐標系下的微分算子d/dt+jω來替代靜止坐標系下的微分算子d/dt，并將R+jωL看作一個整體，設計PI控制器為：

于是進一步可得：

（7）

對照式（7）和式（4），可從中看出，ωkp（i* q-iq）/s和ωkp（i* d-id）/s分別替代ωLiq和ωLid，減少了電感參數的影響。

文章所采用的系統控制框圖如圖2所示：

3 仿真結果及分析

在MATLAB/Simulink進行仿真驗證，各項參數如下表所示：網側輸入電壓310 V，各級直流側電壓參考值為160 V，交流側的濾波電感值L=4 mH，直流側電容值C=2.25 mF，開關頻率為10 kHz?；？刂频姆答佅禂郸?0.0055。

3.1 負載突變時系統的響應

在0.6 s時，橋1的負載保持不變，橋2的負載由40 Ω突變為80 Ω。在0.8 s時，橋2的負載恢復至40 Ω。從圖3可以看出，采用傳統PI控制策略下的直流側電容電壓udc1和udc2的波動范圍明顯比文章控制策略大，且文章控制策略電壓平衡速度更快。

3.2 電感突變時系統的響應

系統運行的實際情況中，電感參數可能會發生一定的改變。當t=0.4 s時，系統的電感值由5 mH變化至10 mH。從圖4可以看出，傳統控制策略直流側電容電壓發生明顯波動，而采用文章控制策略電容電壓值浮動范圍很小，文章的控制策略有效減少了電感參數的影響。

4 結語

文章根據單相級聯H橋型整流器的數學模型，提出dq旋轉坐標系下無電感參數解耦電流內環和滑模控制電壓外環的復合控制策略，通過仿真與傳統PI控制進行對比。結果表明，系統在負載突變和電感突變的情況下具有優越的動、靜態性能，魯棒性強。

參考文獻

[1] 李子欣，高范強，趙聰，等.電力電子變壓器技術研究綜述[J].中國電機工程學報，2018，38（5）：1274-1289.

[2] 張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業出版社，2012.

[3] 張承暢，羅建昌，張華譽，等.基于滑模電壓控制的級聯H橋整流器研究[J].電氣傳動，2018，48（11）：34-38.