基于預測PI的級聯(lián)H橋整流器準比例諧振控制研究

盧紹群

摘? 要：文章以單相級聯(lián)H橋整流器為研究對象，主要從系統(tǒng)雙閉環(huán)控制和直流側電容電壓平衡控制方面入手對其實現(xiàn)方法進行優(yōu)化，以解決現(xiàn)有控制方案電流諧波含量大，電容電壓均衡效果差等缺點。文章中電流環(huán)控制采用準PR控制，電容電壓均衡采用預測PI控制，并通過仿真分析驗證了文章所提優(yōu)化控制方案的優(yōu)越性。

關鍵詞：級聯(lián)型H橋整流器;PWM調制;雙環(huán)控制;電容電壓平衡控制

中圖分類號：TM461? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）22-0025-03

Abstract： In this paper， the single-phase cascaded H-bridge rectifier is taken as the research object， and its realization method is optimized mainly from the aspects of double closed-loop control and DC-side capacitor voltage balance control， in order to solve the shortcomings of the existing control schemes， such as high current harmonic content and poor capacitor voltage balance effect. In this paper， quasi PR control is used for current loop control and predictive PI control is used for capacitor voltage equalization. The superiority of the optimal control scheme proposed in this paper is verified by simulation analysis.

Keywords： Cascade H-bridge rectifier; PWM modulation; voltage and current control; DC-side capacitor voltage balance control

目前關于級聯(lián)型H橋整流器的研究有很多，其研究的主要目標為提高輸入側功率因數(shù)、降低諧波含量，提高直流側輸出電壓穩(wěn)定以及實現(xiàn)各級聯(lián)模塊直流側電容電壓的均衡控制等。針對上述控制目標，國內(nèi)外學者對級聯(lián)H橋做了很多研究。文獻[1-4]主要從調制方式入手，研究調制形式對H橋整流器的諧波含量以及電容電壓均衡的影響，比如載波移相、載波輪換、載波層疊以及相應的改進方案等。文獻[5-6]主要從控制策略入手，以實現(xiàn)級聯(lián)H橋整流器的電壓均衡和功率均衡問題。目前關于級聯(lián)H橋整流器的解決方案很多，但只能針對性的對某一問題進行解決或者隨著系統(tǒng)級聯(lián)數(shù)目的增加，系統(tǒng)控制變的冗余復雜。

本文將從級聯(lián)H橋整流器的整體控制方案入手并結合傳統(tǒng)控制策略，提出了一種PI+預測的電壓均衡控制方法，即使在負載不平衡的情況下也能快速實現(xiàn)電容電壓的平衡。本文在理論分析的基礎上，通過仿真實驗證明了本文所述整體控制方案的有效性和可行性。

1 級聯(lián)型H橋整流器數(shù)學模型

理論上H橋整流器的級聯(lián)個數(shù)需要根據(jù)實際需求確定，本文以n模塊級聯(lián)為例進行說明，其拓撲結構如圖1所示。Us為交流電壓，L為平波電抗器，Udcn為各模塊直流側電壓，Rn為直流側負載。

為了便于數(shù)學建模，假定各電路器件均為理想器件，可定義理想開關函數(shù)Sna、Snb，同時結合級聯(lián)型H橋整流器的主電路拓撲，可以得到其數(shù)學模型

單個H橋整流橋輸入電壓、電流與開關函數(shù)之間的函數(shù)關系為

然后根據(jù)開關函數(shù)與電壓電流的關系，可以將上式數(shù)學模型寫成以下形式

2 級聯(lián)H橋整流器控制系統(tǒng)設計

2.1 基于準PR的電流內(nèi)環(huán)設計

由于單相H橋整流器的電流為交流量，如果用PI控制無法實現(xiàn)無靜差控制，所以當采用PI調節(jié)時一般需要進行坐標虛擬變換，變換后的H橋整流器存在耦合量，導致控制系統(tǒng)復雜化，所以本文電流內(nèi)環(huán)采用PR控制。PR調節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

PR控制器在基波頻率出的增益很大，可以實現(xiàn)并網(wǎng)電流的基波分量無靜差調節(jié)。但是由于實際電網(wǎng)頻率具有波動性，當電網(wǎng)頻率偏離PR調節(jié)器的基波頻率時，PR調節(jié)器提供的增益將迅速下降，使得并網(wǎng)電流穩(wěn)態(tài)誤差增大。所以本文對PR調節(jié)器進行了一定處理，其傳遞函數(shù)為：

這樣不僅可以實現(xiàn)并網(wǎng)電流的無靜差調節(jié)還可以減小電網(wǎng)頻率波動對控制器諧振點造成的影響[6]，改進后的PR調節(jié)器可以在較寬的頻帶內(nèi)獲得較高的增益，提高了對電網(wǎng)頻率的適應性。

2.2 基于PI的電壓外環(huán)設計

由于級聯(lián)型H橋是串行連接，通過每個H橋模塊的電流相同，所以級聯(lián)型H橋的電壓外環(huán)控制需建立在同一個電流內(nèi)環(huán)的基礎之上。分析電壓外環(huán)控制需要從功率守恒的角度入手，在一個工頻周期內(nèi)，電網(wǎng)輸入有功功率等于整流器直流側輸出功率。電壓外環(huán)的控制目標在于保證級聯(lián)H橋整流器直流母線總體電壓恒定，級聯(lián)型H橋整流器的雙環(huán)控制結構如圖2所示。其中外環(huán)控制器采用PI調節(jié)器，內(nèi)環(huán)電流控制器采用上節(jié)所提的準PR控制器。

3 基于預測PI的直流側電容電壓均衡控制

對于級聯(lián)型H橋整流器而言，直流側各級模塊電容電壓的均衡控制是控制的重點和難點。造成直流側電容電壓不均衡的原因有很多，比如調制方式的不同、開關延時、負載變化以及硬件參數(shù)的不一致等。目前實際常用的控制策略有電壓排序平衡控制，脈沖補償平衡控制等。由于排序法屬于開環(huán)控制，抗干擾能力較弱，所以本文將在脈沖補償平衡的方法上進行優(yōu)化。

脈沖補償平衡控制的原理為根據(jù)電壓各級模塊實際直流電壓與平均電壓的差值求得占空比的補償量，通過修正各模塊占空比，從而實現(xiàn)直流側電容電壓的均衡控制。下面分析調制比與直流電壓的關系，假設第n個H橋的調制比為dn，從而在一個開關周期內(nèi)有

此外根據(jù)電荷守恒定律有

從上式可以看出直流側各級模塊的直流電壓偏差與調制比有直接關系，所以我們可以通過增加一個調制比增量來調整直流側電壓的偏差。加入調制比增量后進一步整理有

本文在傳統(tǒng)的PI調節(jié)部分加入預測環(huán)節(jié)，即采用預測PI控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)PI調節(jié)進行電容電壓均衡控制，如圖3所示。加入預測環(huán)節(jié)的PI調節(jié)器傳遞函數(shù)如式10所示，其中m為采樣滯后次數(shù)。

由其結構可以看出預測PI控制算法不僅具有PI算法的功能，而且能夠對控制對象發(fā)生變化時進行預測，能夠消除控制作用的盲目性，是對傳統(tǒng)PI控制的補充優(yōu)化。

4 仿真驗證

4.1 傳統(tǒng)PR與準PR控制的對比仿真

本文根據(jù)級聯(lián)型H橋整流器的拓撲結構搭建了四模塊級聯(lián)型的MATLAB仿真模型。各部分仿真參數(shù)設置如表1。

仿真對比如圖4所示，采用傳統(tǒng)PR控制時，交流電流的THD為4.30%，而采用準PR控制時，交流電流的THD為1.59%，可見準PR控制能夠獲得更好的波形質量。

4.2 傳統(tǒng)PI與預測PI控制的對比仿真

圖5為初始電容電壓不均衡的情況下，采用傳統(tǒng)PI控制的級聯(lián)型H橋整流器直流側電容電壓的仿真波形。圖6為初始電容電壓不均衡的情況下，采用預測PI控制的級聯(lián)型H橋整流器直流側電容電壓的仿真波形。

從圖中可以看出，采用預測PI控制的電容電壓均衡控制，能夠使電容電壓紋波更小，且幅值更穩(wěn)定，從而證明了本方案的合理性與可行性。

圖7為負載不平衡下，基與傳統(tǒng)PI調節(jié)的直流電容電壓均衡情況。圖8為負載不平衡突變的情況下，基于預測PI的直流電容均壓情況。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，基于預測PI的電容電壓均衡策略比傳統(tǒng)PI調節(jié)更有效，輸出電壓紋波更小。此外在負載發(fā)生突變時，基于預測PI的電容電壓均衡策略電容電壓調節(jié)響應更迅速，偏差更小。

5 結論

本文根據(jù)級聯(lián)型H橋整流器的工作原理，搭建了相應的仿真，通過仿真分析證明了本文所述級聯(lián)型H橋整流器的電流環(huán)準PR調節(jié)的可行性，能夠獲得更好的波形質量。同時證明了本文所述預測PI控制比傳統(tǒng)PI調節(jié)對電容電壓均衡控制更有效，也為級聯(lián)型H橋整流器的大規(guī)模工程應用提供了寶貴經(jīng)驗。

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