单相级联H桥整流器电压平衡控制策略.pdf

控制与应用技术IEMCA电机与控制应用2 0 2 3,50(8)单相级联H桥整流器电压平衡控制策略李延帅，徐传芳，张宁，宋阳阳（大连交通大学自动化与电气工程学院，辽宁大连摘要：以无工频变压器牵引传动系统前端的单相级联H桥整流器（CHBR）为研究对象，构建了其数学模型，在电压电流双闭环控制策略的基础上，引人无锁相环技术，改进瞬态电流控制策略。实现了系统发生扰动时，网侧电流对电压相位频率的快速精确追踪。进一步地，对传统附加平衡电压控制策略加以改进，增加模糊控制技术，解决了CHBR在非理想电网或负载大范围投切载时,存在的直流侧各级电容电压不平衡、压差大等问题。最后，利用MATLAB/Simulink进行仿真，对所提策略在CHBR运行时的快速响应和抗干扰能力进行了验证。关键词：单相级联H桥整流器；双闭环；无锁相环瞬态电流控制；电容电压平衡策略中图分类号：TM461文章编号：16 7 3-6 540(2 0 2 3)0 8-0 0 32-0 6doi:10.12177/emca.2023.095Voltage Balance Control Strategy of Single-Phase Cascade H-bridge Rectifier(School of Automation and Electrical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116000,China)Abstract:A single-phase cascaded H-bridge rectifier(CHBR)in the front end of the traction drive system of atransformer without power frequency is studied,and its mathematical model is constructed.On the basis of the voltageand current double closed-loop control strategy,the non phase-locked loop technology is introduced to improve thetransient current control strategy.The grid-side current can quickly and accurately track the voltage phase frequencywhen the system is disturbed.Furthermore,the traditional additional balanced voltage control strategy has beenimproved,and the fuzzy control technology is added to solve the problems of unbalanced voltage and large voltagedifference between all levels of capacitors on the DC side of CHBR when it is not ideal power grid or load is switchedover a wide range.Finally,MATLAB/Simulink is used for simulation to verify the fast response and anti-interferenceability of the proposed strategy during CHBR operation.Key words:single-phase cascade H-bridge rectifier;double closed-loop;transient current controlwithout phase-locked loop;capacitor voltage balancing strategy0引言车载变压器能将接触网电压降低到适合车载电力电子设备的水平，并保证对车载设备的电绝缘，是交流机车中重要的组成部分1。但是，这种变压器体积大且价格昂贵，与列车轻量化的要求车116 0 0 0)文献标志码：ALI Yanshuai,XU Chuanfang,ZHANG Ning，SO NG Y a n g y a n g相,因此对无工频变压器牵引传动系统的研究2-31具有重要的工程应用价值。单相级联H桥整流器能够有效减轻牵引传动系统的质量和损耗，且具有效率高、谐波含量低、开关应力小等优点,是解决无工频变压器的一项广泛使用的电力电子方案4-6 收稿日期：2 0 2 3-0 4-19；收到修改稿日期：2 0 2 3-0 5-0 8*基金项目：辽宁省交通科技项目（2 0 2 2 43）作者简介：李延帅（19 9 7 一），男，硕士研究生，研究方向为电力电子变压器控制。徐传芳（19 7 8 一），女，博士，副教授，研究方向为电力牵引与传动控制系统。（通信作者）一32 一电机与控制应用2 0 2 3,50(8)单相级联H桥整流器的主要控制目标有两个：一是实现网侧电流与电压同频同相位，保证系统单位功率因数运转；二是保持中间直流侧电压在允许的偏差范围内，并在扰动时能快速响应。为了能够更好地实现控制目标，国内外学者提出了很多可行的控制策略。文献7 通过闭环的方式调节电压平衡控制器的占空比以达到平衡电压的目的,但设计的变压器模型过于庞大,成本较高,有悖于列车的轻量化要求。文献8 在保证直流侧电压不变的基础上，先对每个级联单元的占空比进行开环调整，再对任意单元的有功占空比进行闭环控制修改，进而达到平衡电压的效果。文献9 提出了一种新型的单相整流器模型,在系统单位功率因数运行的条件下，既能平衡电容电压,又能避免电压平衡控制器与主控制回路耦合。以上方法均采用传统锁相环获取与网侧电压同频同相的单位正余弦信号，当系统工作在非理想电网或负载扰动时，很难实现快速、准确地相位跟踪。因此,文献10 提出了一种无锁相环直流侧电容电压均衡的控制方法，无需锁相环也可实现网侧电流与电压同频同相。但在系统大范围投切载时，各级联单元之间的电压差异较大，恢复平衡时间较长。文献12 在整体双闭环控制的基础上,加人模糊控制技术,通过计算出各级联单元的占空比补偿量，完成对直流侧电压平衡的控制,为解决该问题提供了一种新的思路。受到以上文献启发，本文以单相级联H桥整流器为研究对象,建立基于双闭环的系统数学模型,基本控制回路采用无锁相环瞬态电流控制策略,通过对瞬时有功电流的定义,无需锁相环也可获得与网侧电压同频同相的电流指令信号及各级联单元调制比增量信号，避免了传统锁相环在面对电网扰动时的局限性。另外，在传统附加平衡控制策略的基础上加以改进，引人模糊控制技术，以动态调整能力较强的模糊自适应PI控制器取代各级输出电压平衡控制中的PI控制器,在维持直流侧电容电压平衡的同时，有效降低因系统扰动产生的最大失衡电压。最后，基于MATLAB/Simusink对非理想电网电压下以及在负载投切载运行时的情况进行仿真，验证所提策略的正确性和可行性。控制与应用技术IEMCA1（CHBR主电路拓扑及工作原理单相级联H桥整流器采用模块化结构模式，可灵活地进行多级扩展13，其拓扑结构如图1所示。isLsRsuabus图1单相级联H桥整流器拓扑结构图1中u。i 分别为网侧输人端的电压与电流;L、R。分别为等效输入电感和串联等效电阻；S，为第i个级联单元的4个IGBT开关器件（i=1,2,n);C,、R,分别为第i个级联单元直流侧的电容和等效负载，理想情况下各单元直流侧负载相等;Udci为各级联单元直流侧电压。定义S;为各级联单元IGBT单元的通断状态：Sin,Si4 导通,uabi=Udei,idei=i,S,=o Si,Sia/Si2,Si4 导通,uabi,idei=0-1 Siz,Sis 导通,uabi=-Uder,idei=-i.各级联单元交流测电压关系为Uab;=S,u dci根据基尔霍夫定律，结合式（2）可得CHBR开关函数数学模型为(diLug-R,i,-(S,udel+Szude2+.+S,uden)dtCdudeiS.is一udcidtR,对式（3）采用平均运算14，即得到其动态方程：一 33 一idclS11S13Rid:UaclaCi+S12S14S21S23本C2+R2 Uac2+S22S+idc2S24+UonCR.SM(1)(2)(3)控制与应用技术IEMCAdidtdudeid;idt电机与控制应用2 0 2 3,50(8)到与其同频同相的电流指令信号（t）,如式（9)-R,i-dudei=1WdciR;S所示：(4)P*i(t)=Gu.(t)=(9)与开关函数数学模型相比,平均意义下的数学模型用级联H桥整流器的占空比d,来代替开关函数S,，便于后文对控制策略进行分析。2CHBR 控制策略2.1无锁相环瞬态电流控制针对CHBR的控制目标,采用电压电流双闭环的控制方式15,在瞬态电流控制策略中引人无锁相环技术，无锁相环瞬态电流控制框图如图2所示。nUeUdci+1-1电压外环！图2 无锁相环瞬态电流控制框图图2 中模块为电压外环控制器，直流侧电容电压给定值与实际值之差经过PI控制器后，输出网侧电流参考值的幅值I为调制波信号uab由式（10)所示：uab=u(t)-wL,i(t)-i(t)-Tpi(t)-i(t)2.2直流侧电容电压平衡策略在系统进行大范围投切载时，整流器会产生纹波信号，进而会导致系统直流侧产生较大的电压差,靠基本的控制策略很难再次恢复平衡。为此,结合无锁相环技术,使用动态调整能力较强的模糊自适应PI控制器,对传统附加平衡控制策略进行改进。基于模糊自适应的电压平衡控制框图如图3所示。1/U2isPPl区区iT无锁相环瞬态电流环(10)us+u十iJPUIUaei2UUaeldc1/nUaliUac2模糊P控制器Uad-1ld.Ad,模糊P控制器i/PUIUd2模糊PIAd,控制器区区区UIUdon-区区dctdddd(11)I:=T,(U-Ua)+模块为无锁相环瞬态电流环，系统保持单位功率运行，根据Fryze理论，定义瞬时有功电流ia(t):isa(t)=Gu,(t)isa(t)与u（t)相位频率保持一致，一个周期内isa(t)消耗的功率和i（t)消耗的功率相等,平均功率P的数学模型为Pu,(t)isa(t)dtTJ。将式(6)代人式(7),可得：GP=-u(t)dt=GU?TJ式中：U为网侧电压的有效值。忽略CHBR功率损耗,将I*与Udc的乘积通过低通滤波器,并将其值作为功率参考值P*，再将P*与U的商,与网侧电压u（t)相乘,即可得一34一J(U-Ua.)d(5)(6)(7)(8)图3基于模糊自适应的电压平衡控制框图将各单元直流侧电压之和除以模型的单元数量，作为每个级联单元的电压指令值，与各单元直流侧电压做差形成偏差信号。由于该偏差信号为直流量,因此利用PI控制器即可实现对偏差的跟踪消除。由式(9)得：i(t)_ u.(t)P*U2由图3和式(11)可得第i个级联单元的调制比增量d;；另外,为了消除电压平衡控制器与基本控制器回路之间的耦合效应,对第n个模块的占空比进行开环调节：nZAUad-Ad.Ua2一1i=1Ad,Udon各级联单元的调制比由式（13)产生：d;=d+d;sinwtU(12)(13)电机与控制应用2 0 2 3,50(8)生成的带有偏差消除信号的调制波，可以有效减小在大范围投切负荷时直流侧的电压差值，提高系统动态性能。2.3模糊控制器的设计本文提供了一种基于模糊自适应的PI控制算法，以各级联单元电压给定值与其直流侧电压实际值作差,将所得误差e及其变化率ec作为模糊推理的输人变量，建立模糊集合，确定比例补偿系数增量K，和积分