單相整流器二次紋波抑制的有源功率解耦控制算法

摘 要：

為了解決單相整流器中LC諧振回路頻率適應性差的問題，引入有源功率解耦電路代替LC諧振回路抑制母線電壓二次紋波，選擇直流母線電容分裂拓撲有利于減小支撐電容容值。首先，對有源功率解耦電路的工作模態進行分析，建立了單相整流器和分裂電容有源功率解耦回路數學模型。其次，傳統解耦控制算法間接計算解耦參考電壓，為提高功率解耦效果，采用二階廣義積分器直接提取電壓紋波作為電壓參考，并提出一種基于滑模觀測器的無電流傳感器控制策略，滑模觀測器降低了解耦電路成本，提高了抗干擾能力。然后，根據整流器性能指標和功率解耦要求，給出了有源功率解耦回路電感和電容設計依據。最后，對不同拓撲結構的單相整流器進行了穩態和動態實驗對比，實驗結果證明了控制算法的有效性。

關鍵詞：二次紋波電壓；有源功率解耦；二階廣義積分器；滑模觀測器；解耦參數設計

DOI：10.15938/j.emc.2024.08.010

中圖分類號：TM465

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）08-0094-10

Active power decoupling control algorithm for second-order ripple suppression of single-phase rectifier

CHENG Shu， LI Zhuoxin， ZHOU Ruirui， FAN Ziyin， XIANG Chaoqun

（School of Traffic and Transportation Engineering， Central South University， Changsha 410075， China）

Abstract：

Aiming at the poor frequency adaptability of LC resonant circuits in single-phase rectifier， an active power decoupling circuit was introduced to suppress DC-bus second-order ripple voltage. The DC-split capacitor power decoupling （DCPD） topology is capable to reduce the DC-bus capacitance. Firstly， the operation modes of DCPD were analyzed， and the mathematical model of single-phase rectifier and DCPD were established. Next， the traditional decoupling control algorithms indirectly calculate the decoupling reference voltage. To improve the performance of power decoupling， a second order generalized integrator （SOGI） was used to directly extract voltage ripple as the voltage reference， and a current-sensorless control strategy based on sliding mode observer （SMO） was proposed. This observer reduces the cost and improves anti-interference ability of DCPD. Then， based on the performance indicators of the rectifier and power decoupling requirements， the design basis for the inductance and capacitance of DCPD was provided. Finally， steady-state and dynamic experiments were compared on single-phase rectifiers with different topology， and the experimental results proved effectiveness of the control algorithm.

Keywords：second-order ripple voltage; active power decoupling; second order generalized integrator; sliding mode observer; decoupling parameter design

0 引 言

在軌道交通領域，牽引變流器多采用單相整流器級聯三相逆變器的結構，而單相PWM整流器的直流母線固有的二次脈動功率引起母線電壓出現二次脈動，導致網側輸入電流的奇次諧波含量增大［1］，電機側出現拍頻電流和拍頻轉矩［2-3］，造成電機異常溫升，危害電機壽命。為了抑制母線電壓二次脈動，需要采用儲能器件儲存二次紋波功率，實現功率解耦。功率解耦分為無源和有源兩種方式，無源功率解耦是借助電感和電容的諧振吸收母線二次脈動，但諧振回路電壓不可控，調節范圍受到直流母線限制，需要采用大容量器件儲能元件；此外諧振回路濾波頻率固定，對于多流制機車等不同供電制式應用場合效果較差。有源功率解耦（active power decoupling，APD）方式引入電力電子器件，配合小容量儲能元件，通過主動方式抑制諧波功率，彌補無源功率解耦的不足之處。

APD拓撲包括Boost電路［4-5］、Buck電路［6-7］、Buck-Boost電路［8］、H橋電路［9］和單相逆變等［10］，這些拓撲與整流器互相獨立。此外，有一些學者提出采用差分拓撲［11］或器件復用拓撲［12］，差分拓撲改變了整流器結構，復用拓撲則增加了控制難度與器件應力。文獻［13］提出一種直流母線電容分裂的功率解耦拓撲（DC-split capacitor power decoupling，DCPD）如圖1所示，其中Vd1和Vd2分別為功率開關，D1和D2是功率器件的反并聯二極管，L、C1和C2分別為解耦電感和直流母線解耦電容，這種結構的優點在于解耦功率完全可控，頻率適配性強，可控解耦電容同時承擔了支撐電容的作用，可以減小支撐電容容值，減小體積。

針對DCPD拓撲的控制策略，學者們做出了較多的研究。文獻［13］根據解耦回路穩態相量圖計算電容電壓和電感電流給定，并采用比例諧振（proportional-resonant，PR）控制器控制電壓和電流，有效抑制了高頻紋波，減小穩態誤差。但控制量參考值由開環方式獲取，對系統參數變化敏感，文獻［14-15］以母線電壓誤差作為紋波電壓，經過四分之一周期延時和dq變換獲取電容電壓參考，避開了系統參數的影響。此外電流內環采用比例控制器代替比例諧振控制加快了電流響應速度，但紋波電壓未經濾波處理，易受系統噪聲影響。文獻［16］采用神經網絡濾波器提取母線電壓紋波，并采用滑模控制器代替電壓PR控制器，實驗結果說明控制器在電網電壓畸變時仍能正常運行，但神經網絡濾波器需要大量數據進行離線訓練。以上方法未考慮解耦電容的參數不平衡的情況，文獻［17］提出電容不平衡時需要調整兩個電容的直流偏置和工頻分量幅值才能正常實現功率解耦，因此在電容電壓給定中增加基于電容不平衡度的補償因子來調節直流偏置，實驗結果證明了方法的有效性。文獻［18］通過估計二次脈動功率的相位和電容的不平衡度，設計了基于電壓平均值的自適應控制器，實現了解耦電容電壓的自平衡控制。

上述方法解決了閉環控制和電容不平衡的問題，但依賴電流傳感器采集解耦電感電流。傳統的電流互感器量程小，絕緣性能差，抗電磁干擾能力差［19］；而性能更優的霍爾、光纖電流傳感器成本較高［20-21］；此外軌道交通電磁干擾嚴重，電流傳感器工作環境惡劣，影響系統可靠性，此外電流傳感器安裝困難，因此需要開展無電流傳感器控制研究。

本文提出一種無電流傳感器的單相整流器控制算法。通過分析電容分裂拓撲工作模態推導數學模型，采用二階廣義積分器（second order generalized integrator，SOGI）提取母線電壓二次紋波，構造電流觀測器代替傳感器改進有源功率解耦控制算法。本文簡要介紹電容分裂拓撲數學模型與所提控制策略，從仿真與實驗的角度驗證有源功率解耦控制算法的有效性。

1 電容分裂有源功率解耦電路原理分析

1.1 電容分裂有源功率解耦電路工作原理

帶APD單相整流器電路的結構如圖1所示。圖中：us、is分別為交流側輸入電壓和輸入電流；Udc為直流側輸出電壓；Ls和Rs分別為網側電感和寄生電阻，Sa1、Sa2、Sb1和Sb2分別為單相整流器的IGBT。

僅考慮電容分裂解耦電路，前端整流器可等效為電壓源，取解耦電感電流iL流入電容中點為正，根據有源功率解耦拓撲和解耦電感電流方向共有4種運行模態，如圖2所示。

模態一：若iLgt;0，Vd1關斷Vd2開通，如圖2（a）所示，Lf、Vd2和C2形成回路，Lf與C2之間交換功率，即Lf放電C2充電。直流電壓源Udc與C1、Vd2形成回路，C1與直流電源交換功率，即C1放電，能量流向直流母線。因此在此模態下，解耦電路輸出電流補償到直流母線。

模態二：若iLgt;0，Vd1開通Vd2關斷，如圖2（b）所示，Lf、Vd1和C1形成回路，Lf與C1之間交換功率，即Lf充電C1放電。直流電壓源Udc與C2、Vd1形成回路，C2與直流電源交換功率，即C2充電，能量流出直流母線。因此在此模態下，解耦電路從直流母線吸收二次脈動電流。

模態三：若iLlt;0，Vd1關斷Vd2開通，如圖2（c）所示，Lf、Vd2與C2形成回路，Lf與C2之間交換功率，即Lf充電C2放電。直流電壓源Udc與C1、Vd2形成回路，C1與直流電源交換功率，即C1充電，能量流出直流母線。因此在此模態下，解耦電路從直流母線吸收二次脈動電流。

模態四：若iLlt;0，Vd1開通Vd2關斷，如圖2（d）所示，Lf、Vd1與C1形成回路，Lf與C1之間交換功率，即Lf放電C1充電。直流電壓源Udc與C2、Vd1形成回路，C2與直流電源交換功率，即C2放電，能量流向直流母線。因此在此模態下，解耦電路輸出電流補償到直流母線。

2.2 無電流傳感器解耦電路控制

文獻［14］提出一種參考電壓閉環獲取方式，將母線電壓反饋值和參考值做差，并通過相位延遲和旋轉變換獲取電容參考電壓，延遲基波周期的12.5%得到正交波動量，并經過旋轉變換運算獲得電容波動電壓，然后通過比例諧振控制器生成解耦電感電流參考，而為了保證電流內環的響應速度采用比例控制器。當系統參數變化時，能直觀地反映在母線電壓波動上，因此對系統參數魯棒性較強。為了加快母線電壓響應速度，本文采用SOGI來生成正交波動量，系統控制如圖4所示。

4 實驗驗證與分析討論

為了驗證所提出算法的有效性，搭建500 W的實驗平臺如圖6所示。整流器采用直接功率控制，實驗平臺的具體參數如表1所示。

實驗驗證包含穩態實驗和動態實驗，實驗對象包括無二次脈動抑制的整流器、LC諧振的整流器、有電流傳感器有源功率解耦的整流器和無電流傳感器有源功率解耦的整流器。穩態實驗主要用于比較不同算法的穩態特性，因此母線電壓設置為250 V。動態實驗的條件主要針對不同負載的整流器在有源功率解耦回路啟動時系統的動態響應，從而比較電流傳感器和電流觀測器動態性能，因此母線電壓同樣分別設為200、230和250 V。

4.1 實驗穩態性能比較

各算法的穩態波形如圖7～圖10所示。從圖7中很明顯可以看出，無二次紋波抑制結構的單相整流器，母線電壓含有明顯的偶次紋波，其中二次紋波的含量最高，受二次紋波電壓的影響，網側電流的三五七次等奇次諧波含量增加，此外諧波含量升高引起電流畸變。

對比圖8和圖9，當采用LC諧振回路或DCPD的紋波抑制方法時，網側電壓與網側電流波形都為正弦且相位相同，即實現了網側單位功率因數。母線電壓的二次紋波含量分別下降7.26%和5.63%，網側電流的三次諧波含量分別下降7.3%和6.9%，而且THD均在5%以內。這說明LC諧振和DCPD都能有效地抑制母線電壓二次紋波與網側電流三次諧波，且LC諧振回路的抑制效果優于DCPD。但從頻譜中可以發現，LC諧振回路的頻譜中，四次紋波的含量為0.34%，高于DCPD 0.2%，這說明LC諧振回路對于四次紋波的抑制效果不如DCPD。因此LC諧振回路和DCPD都能有效地抑制二次紋波，LC諧振回路抑制效果相比DCPD更好，而DCPD能抑制更高次的母線電壓紋波，此外采用DCPD拓撲的單相整流器直流環節電容容值比LC諧振回路的更小，在體積方面更有優勢。

對比圖9和圖10，傳統DCPD控制算法和無電流傳感器算法在穩態條件下都能有效抑制二次紋波，兩者的輸出性能相近，母線電壓THD差距為0.64%，網側電流THD差距為0.5%，母線電壓紋波系數基本一致。

4.2 實驗暫態性能比較

對比圖11和圖12，當傳統DCPD控制算法和無電流傳感器算法在不同負載下的啟動波形。

母線電壓為200 V時，傳統算法和無電流傳感器控制算法從啟動到穩定的時間分別為50 ms和20 ms；當母線電壓為230 V時，傳統算法和無電流傳感器的控制算法穩定時間都為25 ms；當母線電壓為230 V時，傳統算法和無電流傳感器的控制算法穩定時間都為30 ms。這說明當負載較輕時，傳統算法的穩定時間更長，而負載較重時，傳統算法和無電流傳感器算法穩定時間一致。當母線電壓從200 V跳變到230 V時（即負載突變），比較圖13（a）和圖13（b），傳統算法和無電流傳感器算法的收斂時間分別是39 ms和20 ms，這說明當負載發生突變時，滑模觀測器的響應速度比傳統算法快。此外，從圖中可以看出從DCPD啟動到穩定的過程，無電流傳感器控制算法的母線電壓波動與網側電流幅值波動都比傳統控制算法小，這是由于滑模觀測器中的積分環節抑制了電壓反饋信號中的高頻噪聲。綜合比較兩種DCPD控制算法穩態性能和暫態性能，無電流傳感器算法可以有效代替電流傳感器，在降低系統成本，提高系統有效性方面更有優勢。

5 結 論

本文通過分析單相整流器母線電壓二次紋波產生機理，針對單相整流器的二次紋波提出一種基于DCPD拓撲的無電流傳感器有源功率解耦算法，并提出了DCPD拓撲的元件參數設計方法。相較于傳統LC諧振回路，DCPD拓撲采用更小容量的儲能元件，有更好的頻率適應性。本文提出的無電流傳感器控制算法依據電容電壓觀測電感電流，可實現完全跟蹤，提升了DCPD的穩態和動態性能。實驗結果證明了本文所提方法的有效性。

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（編輯：劉素菊）

收稿日期： 2023-07-17

基金項目：中國國家鐵路集團有限公司科技研究開發計劃（P2023J004）

作者簡介：成 庶（1981—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力驅動故障診斷與容錯控制、電力牽引控制技術；

李卓鑫（1972—），男，博士研究生，研究方向為電力電子變流與電力牽引傳動控制技術；

周瑞睿（1996—），男，博士研究生，研究方向為新能源系統先進控制技術；

范子寅（1951—），男，碩士研究生，研究方向為變流器控制、城軌列車節能優化。

通信作者：向超群