級聯(lián)H橋整流器無電感參數(shù)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(lián)H橋整流器在實際中交流側(cè)電感值變化、系統(tǒng)不能徹底解耦、參數(shù)變化易影響系統(tǒng)等問題，提出一種新型電壓電流雙閉環(huán)控制策略。該策略電壓外環(huán)采用滑?？刂?，電壓內(nèi)環(huán)采用無電感參數(shù)的電流解耦控制策略。在Matlab/Simulink軟件中建立單相兩級級聯(lián)H橋仿真模型，并在負載突變和電感突變的情況下與傳統(tǒng)PI控制進行對比。對比結(jié)果表明，該系統(tǒng)魯棒性較強，動、靜態(tài)性能優(yōu)越。

關(guān)鍵詞：電力電子變壓器;單相級聯(lián)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(lián)型電力電子變壓器省去了傳統(tǒng)體積龐大的工頻變壓器，實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)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(wǎng)，采用H橋型拓撲結(jié)構(gòu)，使器件串聯(lián)均壓，實現(xiàn)了電壓等級的提升。各橋直流側(cè)電容電壓不均衡，各參數(shù)易變化而影響系統(tǒng)性能是級聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)推行亟需解決的關(guān)鍵問題[1]。該問題會對后級電路產(chǎn)生不同程度的影響。

文章以單相兩級級聯(lián)H橋型整流器為研究對象，研究了一種電壓外環(huán)滑?？刂疲娏鳝h(huán)無電感參數(shù)解耦相結(jié)合的雙閉環(huán)復合控制策略，實現(xiàn)較強的抗干擾能力，最后通過Simulink仿真分析并與傳統(tǒng)PI控制對比，驗證該控制策略的可行性和有效性。

1 級聯(lián)H橋整流器數(shù)學模型

單相兩級級聯(lián)H橋整流器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，es為電網(wǎng)電壓，is為交流側(cè)輸入電流，r為輸入側(cè)等效電阻，L為網(wǎng)側(cè)電感和線路等效電感之和，S1i為1橋臂的開關(guān)器件，S2i為2橋臂的開關(guān)器件，Ci、Ri、Di分別為H橋直流側(cè)電容，負載以及占空比。

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

（1）

式中，esd、id、Dd分別為電網(wǎng)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(lián)H橋整流器控制策略

2.1 電壓外環(huán)滑膜控制

設計滑模控制器的目的與PWM整流器的要求相一致，都為實現(xiàn)單位功率運行和實現(xiàn)直流側(cè)電容電壓平衡[3]。滑模函數(shù)s（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(tài)變量，設e1=i*q-iq，e2=u*dc-udc，e3=e2=u*dc-udc

系統(tǒng)的滑模函數(shù)可表示為：

（2）

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

（3）

將（3）代入（2），得：

2.2 電流內(nèi)環(huán)無電感參數(shù)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(guān)系。由式（4）可以推導出單相級聯(lián)H橋整流器靜止αβ坐標系下的方程為：

（5）

經(jīng)過αβ到dq變換過程中，用旋轉(zhuǎn)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(shù)的影響。

文章所采用的系統(tǒng)控制框圖如圖2所示：

3 仿真結(jié)果及分析

在MATLAB/Simulink進行仿真驗證，各項參數(shù)如下表所示：網(wǎng)側(cè)輸入電壓310 V，各級直流側(cè)電壓參考值為160 V，交流側(cè)的濾波電感值L=4 mH，直流側(cè)電容值C=2.25 mF，開關(guān)頻率為10 kHz?；？刂频姆答佅禂?shù)β=0.0055。

3.1 負載突變時系統(tǒng)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?yōu)?0 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(tǒng)PI控制策略下的直流側(cè)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(tǒng)的響應

系統(tǒng)運行的實際情況中，電感參數(shù)可能會發(fā)生一定的改變。當t=0.4 s時，系統(tǒng)的電感值由5 mH變化至10 mH。從圖4可以看出，傳統(tǒng)控制策略直流側(cè)電容電壓發(fā)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(shù)的影響。

4 結(jié)語

文章根據(jù)單相級聯(lián)H橋型整流器的數(shù)學模型，提出dq旋轉(zhuǎn)坐標系下無電感參數(shù)解耦電流內(nèi)環(huán)和滑?？刂齐妷和猸h(huán)的復合控制策略，通過仿真與傳統(tǒng)PI控制進行對比。結(jié)果表明，系統(tǒng)在負載突變和電感突變的情況下具有優(yōu)越的動、靜態(tài)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(shù)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(yè)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(lián)H橋整流器研究[J].電氣傳動，2018，48（11）：34-38.