單相級聯H橋整流器無鎖相環瞬態直接電流控制

丁菊霞， 李群湛

(西南交通大學 電氣工程學院， 四川 成都 610031)

為了適應高速、節能、環保的要求，輕量化是高速列車未來發展的必然趨勢。工頻牽引變壓器因其體積龐大、笨重、效率低，與高速列車輕量化要求之間的矛盾尤為突出，取消工頻牽引變壓器對高速列車輕量化具有重要的意義。級聯H橋型變流器由于具有控制簡單、易于實現高電壓輸出以及可靠性高等優點，已成為高壓大容量電氣傳動應用領域的研究熱點，以單相級聯H橋整流器和中頻隔離DC-DC變換器相結合的、變流技術為核心的、無工頻牽引變壓器牽引傳動技術得到了越來越多的關注[1-4]，必將是未來高速列車牽引傳動技術的發展方向。

單相級聯H橋整流器的控制目標有2個：一是實現網側電流對電壓的實時精確跟蹤，使系統單位功率因數運行；二是控制直流側電容電壓保持均衡與穩定，保證系統安全穩定地運行。由于單相級聯H橋整流器各級聯單元流過的電流相同，只能用同一個電流來調節各單元的直流電壓，實現整個系統的電壓電流同頻同相位，實現起來比較困難，在負載相差比較大時系統運行不穩定，控制尤為困難。為此，國內外學者開展了大量的研究工作，文獻[5]針對級聯H橋整流器的控制進行了深入研究，在PI控制的基礎上，引入了諧振控制器和模型預測控制。文獻[6-14]均采用了電壓外環電流內環的雙閉環控制策略。針對直流側電容電壓不平衡問題，文獻[6-8]分別提出了基于功率反饋的直流母線電壓平衡算法，實時改變調制比的電壓平衡算法，以及基于比例-積分調節的改進算法。文獻[9]提出了一種改進的載波同相層疊正弦脈寬調制的電壓平衡方法。文獻[10-12]分別提出了基于補償分量注入的單極性載波移相脈寬調制電壓方法和基于疊加補償分量調節冗余基本矢量作用時間的SVPWM方法。文獻[13]提出了一種改進的比例式脈沖補償平衡策略來解決不同負載工況下的直流側電壓平衡控制。文獻[14]提出了一種新型電壓與無功平衡控制策略，通過按一定關系修正有功和無功占空比使直流側電壓達到平衡。

以上文獻都是在網側電壓為理想情況時所做的研究，并且都需要鎖相環獲取網側電壓的頻率和相位信號，方可實現單相級聯H橋整流器的控制目標。使用鎖相環雖然可以得到與網側電壓同頻同相的單位正余弦信號，但是也容易受到網側電壓的影響，當網側電壓發生畸變以及相位、頻率波動等動態電能質量問題時很難實現快速、準確地相位跟蹤，同時考慮到鎖相環自身的誤差問題，勢必會降低系統的動態響應性能和控制性能[15]。雖然國內外對無鎖相環控制技術進行了一定的研究，但是目前極少有文獻研究單相級聯H橋整流器的無鎖相環控制方法。僅有文獻[16]介紹了一種單相級聯H橋整流器無鎖相環控制方法，但是采用的電壓外環電流內環雙閉環控制方法在級聯單元較多時需要的PI調節器較多，從而使PI參數的選擇變得困難，并且不能空載時運行[8]；同時，該方法基于三相瞬時功率理論，需要虛擬坐標軸和坐標變換以計算網側電流指令信號，占用存儲空間的同時無法實現精確計算。

瞬態直接電流控制由于具有良好的動態特性，在電網電壓畸變下，基于能量傳輸損失最小的瞬時功率理論物理意義更明確[19]。因此，針對以上問題，本文提出了一種無鎖相環單相級聯H橋整流器瞬態直接電流控制方法，該方法根據瞬時有功電流的定義，無需網側電壓鎖相環即可直接得到與網側電壓波形一致的電流指令信號及各級聯單元調制比增量信號，實現了在非理想電網電壓情況下以及直流負載不平衡時單相級聯H橋整流器依然能夠工作在單位功率因數，以及直流側電容電壓依然能夠保持均衡和穩定。更重要的是，該方法物理意義明確。為驗證所提方法的準確性，以單相兩單元級聯H橋整流器為例，做了仿真分析和驗證。

1 單相級聯 H 橋整流器工作原理

1.1 單相級聯 H 橋整流器的拓撲結構

單相級聯H橋整流器的拓撲結構見圖1。圖中，us(t)，is(t)分別為網側電壓和電流；Ls，Rs分別為變壓器繞組等效漏感和電阻；T11，T12，T13，T14為第1個級聯單元的開關器件，T21，T22，T23，T24為第2個級聯單元的開關器件，Tn1，Tn2，Tn3，Tn4為第n個級聯單元的開關器件；L2，C2分別為諧振濾波電路的電感、電容；Cdi，Ri(i=1，2，…，n)分別為第i個級聯單元直流側電容和等效負載電阻；Udi為第i個級聯單元直流側電容電壓；uab為單相級聯H橋整流器交流側輸入電壓。一般情況下，取Cd1=Cd2=…=Cdn=Cd。

為便于分析，定義各開關管的通斷狀態Tij為

i=1,2,…,nj=1,2,3，4

( 1 )

定義第i個級聯單元的開關狀態為Si，則有

Si=Ti1-Ti3

( 2 )

忽略電阻Rs，借助開關函數Si，該拓撲的數學模型為

( 3 )

1.2 單相級聯 H 橋整流器CPS-SPWM調制原理

載波相移調制技術(Carrier Phase Shifted SPWM，CPS-SPWM)是一種特別適用于級聯H橋型多電平變流器的SPWM方法[17]。其關鍵在于各級聯單元三角載波相位角依次相差θ，利用SPWM技術的波形生成方式和多重化技術中的波形疊加原理產生載波相移SPWM波形。對于單相兩單元級聯H橋整流器，θ=π/2，見圖2。圖2中，ur為調制波；uc1，uc3及uc2，uc4分別為每個級聯單元的載波。

2 瞬時有功電流的定義

根據Fryze時域法功率理論[18]，定義電流is(t)中與電壓us(t)波形完全一致、產生有功功率的分量為瞬時有功電流isp(t)，為

isp(t)=Gus(t)

( 4 )

式中：G為一比例常數，根據瞬時有功電流的定義，G的取值應使一個周期內isp(t)消耗的平均功率和is(t)消耗的平均功率相等，即

( 5 )

將式( 4 )代入式( 5 )，得

( 6 )

( 7 )

將式( 7 )代入式( 4 )，即可求得isp(t)，此時，與網側電壓正交的瞬時無功電流isq(t)為

isq(t)=is(t)-isp(t)

( 8 )

3 單相級聯 H 橋整流器無鎖相環瞬態直接電流控制

3.1 無鎖相環瞬態直接電流整體控制

對于單相級聯H橋整流器，由于通過各級聯單元的電流相同，通常將其看作一個單相單級整流器，其輸出直流電壓為各級聯單元直流電壓之和。為了讓單相級聯H橋整流器在單位功率因數下運行，并且輸出的直流總電壓穩定在參考值，需要對整流器進行整體控制。根據式( 3 )，瞬態直接電流整體控制方法的數學公式為

( 9 )

(10)

3.2 無鎖相環電容電壓均衡控制

由于各級聯單元自身損耗、電容容量誤差以及負載不平衡等因素，各單元直流側電容電壓是不平衡的，這樣會影響系統的正常穩定工作，因此，需要對各級聯單元直流側電容電壓進行均衡控制。

本文采用文獻[7]所提出的電容電壓平衡控制思想：先假設各級聯單元負載均衡，采用相同的調制比d，然后根據各單元輸出電壓的差異來求得對應的調制比增量Δdi，最后通過增量重新配置各級聯單元調制比di，從而實現各級聯單元直流側電容電壓的均衡控制。

由式(10)得

(11)

4 仿真驗證

為驗證本文所提方法的正確性和有效性，以單相兩單元級聯H橋整流器為例，進行仿真研究。仿真參數見表1。

表1 系統仿真參數

4.1 理想電網電壓情況下的仿真

網側電壓為理想情況，為驗證本文所提方法在負載突變時的有效性，假設R1保持5 Ω不變，R2在0.5 s時從5 Ω突變為3 Ω，負載出現不平衡。

負載不平衡時的仿真波形見圖5。圖5(a)是網側電壓電流波形，可以看出，兩波形完全一致，即整流器單位功率因數運行；圖5(b)是兩級聯單元直流側電容電壓波形，盡管負載出現了不平衡，但電容電壓很快達到了平衡；圖5(c)是整流器交流側輸入電壓uab波形，由于采用了載波移相技術，實現了5電平輸出。由此說明，在網側電壓為理想情況時，無論負載是否平衡，本文所提無鎖相環控制方法依然能夠實現單相級聯H橋整流器的控制目標，與理論分析一致。

4.2 非理想電網電壓情況下的仿真

為了驗證本文所提無鎖相環控制方法在非理想電網電壓情況下以及負載不平衡時的正確性，對負載不平衡下(R1=5 Ω，R2=3 Ω)，網側電壓幅值變化、頻率偏移、相位突變以及電壓畸變時分別進行了仿真驗證。

4.2.1 網側電壓幅值變化

假設網側電壓在0.3 s時幅值升高到110 V，0.6 s時恢復，0.9 s時突然降低至90 V。

網側電壓幅值變化時的仿真波形見圖6。通過仿真結果可以發現，雖然此時網側電流幅值也發生了變化，但是依然能夠迅速地與網側電壓波形保持一致，而且即便負載不平衡，但是直流側電容電壓依然可以很快達到平衡和穩定。仿真驗證了該方法能很好地應對網側電壓幅值變化的情況。

4.2.2 網側電壓頻率偏移

假設網側電壓在0.3 s時頻率突然偏移至49.5 Hz，0.6 s時恢復，0.9 s時再次突然偏移至50.5 Hz，網壓頻率偏移時的仿真波形見圖7。

由圖7可以看出，當網側電壓頻率偏移時，僅需不到1個周波的時間網側電流電壓恢復了同頻同相位，同時直流側電容電壓也很快達到了平衡和穩定，由此說明該方法在負載不平衡下對網壓頻率偏移仍然有很好的動態控制性能。

4.2.3 網側電壓相位突變

假設網側電壓相位在0.3 s時由0°突變至60°，0.6 s時恢復，0.9 s時再突變至-30°，相位突變時的仿真波形見圖8。

由圖8可見，當網側電壓相位突變時，網側電流與網側電壓很快達到同頻同相位，直流側電容電壓也迅速保持均衡和穩定，說明該方法應對網側電壓相位突變的有效性。

4.2.4 網側電壓畸變

假設網側電壓在0.6 s時發生畸變，疊加了20%的3次諧波和5%的5次諧波，仿真結果見圖9。

由圖9的仿真波形可見，在網側電壓畸變時，雖然網側電流也同時發生了畸變，但是網側電流電壓很快就能保持波形一致，同時直流側電容電壓迅速達到平衡和穩定，仿真驗證了所提無鎖相環控制方法在負載不平衡及網側電壓畸變時具有較快的響應速度。

5 結論

本文針對無工頻牽引變壓器牽引傳動系統前端單相級聯H橋整流器，根據瞬時有功電流的定義，提出了一種無鎖相環瞬態直接電流控制方法，通過理論分析和仿真驗證，得到以下結論：

(1) 在無鎖相環瞬態直接電流整體控制下，無論網側電壓是否為理想情況以及負載是否平衡，網側電流都可以實時準確地跟蹤網側電壓，系統工作在單位功率因數。

(2) 采用無鎖相環直流側電容電壓均衡控制方法，即便在非理想網壓情況下及負載不平衡時，直流側電容電壓均可以保持均衡和穩定。

(3) 該方法可以向更多級聯單元擴展，物理意義明確。