单相级联H桥整流器无锁相环瞬态直接电流控制

丁菊霞， 李群湛

(西南交通大学 电气工程学院， 四川 成都 610031)

为了适应高速、节能、环保的要求，轻量化是高速列车未来发展的必然趋势。工频牵引变压器因其体积庞大、笨重、效率低，与高速列车轻量化要求之间的矛盾尤为突出，取消工频牵引变压器对高速列车轻量化具有重要的意义。级联H桥型变流器由于具有控制简单、易于实现高电压输出以及可靠性高等优点，已成为高压大容量电气传动应用领域的研究热点，以单相级联H桥整流器和中频隔离DC-DC变换器相结合的、变流技术为核心的、无工频牵引变压器牵引传动技术得到了越来越多的关注[1-4]，必将是未来高速列车牵引传动技术的发展方向。

单相级联H桥整流器的控制目标有2个：一是实现网侧电流对电压的实时精确跟踪，使系统单位功率因数运行；二是控制直流侧电容电压保持均衡与稳定，保证系统安全稳定地运行。由于单相级联H桥整流器各级联单元流过的电流相同，只能用同一个电流来调节各单元的直流电压，实现整个系统的电压电流同频同相位，实现起来比较困难，在负载相差比较大时系统运行不稳定，控制尤为困难。为此，国内外学者开展了大量的研究工作，文献[5]针对级联H桥整流器的控制进行了深入研究，在PI控制的基础上，引入了谐振控制器和模型预测控制。文献[6-14]均采用了电压外环电流内环的双闭环控制策略。针对直流侧电容电压不平衡问题，文献[6-8]分别提出了基于功率反馈的直流母线电压平衡算法，实时改变调制比的电压平衡算法，以及基于比例-积分调节的改进算法。文献[9]提出了一种改进的载波同相层叠正弦脉宽调制的电压平衡方法。文献[10-12]分别提出了基于补偿分量注入的单极性载波移相脉宽调制电压方法和基于叠加补偿分量调节冗余基本矢量作用时间的SVPWM方法。文献[13]提出了一种改进的比例式脉冲补偿平衡策略来解决不同负载工况下的直流侧电压平衡控制。文献[14]提出了一种新型电压与无功平衡控制策略，通过按一定关系修正有功和无功占空比使直流侧电压达到平衡。

以上文献都是在网侧电压为理想情况时所做的研究，并且都需要锁相环获取网侧电压的频率和相位信号，方可实现单相级联H桥整流器的控制目标。使用锁相环虽然可以得到与网侧电压同频同相的单位正余弦信号，但是也容易受到网侧电压的影响，当网侧电压发生畸变以及相位、频率波动等动态电能质量问题时很难实现快速、准确地相位跟踪，同时考虑到锁相环自身的误差问题，势必会降低系统的动态响应性能和控制性能[15]。虽然国内外对无锁相环控制技术进行了一定的研究，但是目前极少有文献研究单相级联H桥整流器的无锁相环控制方法。仅有文献[16]介绍了一种单相级联H桥整流器无锁相环控制方法，但是采用的电压外环电流内环双闭环控制方法在级联单元较多时需要的PI调节器较多，从而使PI参数的选择变得困难，并且不能空载时运行[8]；同时，该方法基于三相瞬时功率理论，需要虚拟坐标轴和坐标变换以计算网侧电流指令信号，占用存储空间的同时无法实现精确计算。

瞬态直接电流控制由于具有良好的动态特性，在电网电压畸变下，基于能量传输损失最小的瞬时功率理论物理意义更明确[19]。因此，针对以上问题，本文提出了一种无锁相环单相级联H桥整流器瞬态直接电流控制方法，该方法根据瞬时有功电流的定义，无需网侧电压锁相环即可直接得到与网侧电压波形一致的电流指令信号及各级联单元调制比增量信号，实现了在非理想电网电压情况下以及直流负载不平衡时单相级联H桥整流器依然能够工作在单位功率因数，以及直流侧电容电压依然能够保持均衡和稳定。更重要的是，该方法物理意义明确。为验证所提方法的准确性，以单相两单元级联H桥整流器为例，做了仿真分析和验证。

1 单相级联 H 桥整流器工作原理

1.1 单相级联 H 桥整流器的拓扑结构

单相级联H桥整流器的拓扑结构见图1。图中，us(t)，is(t)分别为网侧电压和电流；Ls，Rs分别为变压器绕组等效漏感和电阻；T11，T12，T13，T14为第1个级联单元的开关器件，T21，T22，T23，T24为第2个级联单元的开关器件，Tn1，Tn2，Tn3，Tn4为第n个级联单元的开关器件；L2，C2分别为谐振滤波电路的电感、电容；Cdi，Ri(i=1，2，…，n)分别为第i个级联单元直流侧电容和等效负载电阻；Udi为第i个级联单元直流侧电容电压；uab为单相级联H桥整流器交流侧输入电压。一般情况下，取Cd1=Cd2=…=Cdn=Cd。

为便于分析，定义各开关管的通断状态Tij为

i=1,2,…,nj=1,2,3，4

( 1 )

定义第i个级联单元的开关状态为Si，则有

Si=Ti1-Ti3

( 2 )

忽略电阻Rs，借助开关函数Si，该拓扑的数学模型为

( 3 )

1.2 单相级联 H 桥整流器CPS-SPWM调制原理

载波相移调制技术(Carrier Phase Shifted SPWM，CPS-SPWM)是一种特别适用于级联H桥型多电平变流器的SPWM方法[17]。其关键在于各级联单元三角载波相位角依次相差θ，利用SPWM技术的波形生成方式和多重化技术中的波形叠加原理产生载波相移SPWM波形。对于单相两单元级联H桥整流器，θ=π/2，见图2。图2中，ur为调制波；uc1，uc3及uc2，uc4分别为每个级联单元的载波。

2 瞬时有功电流的定义

根据Fryze时域法功率理论[18]，定义电流is(t)中与电压us(t)波形完全一致、产生有功功率的分量为瞬时有功电流isp(t)，为

isp(t)=Gus(t)

( 4 )

式中：G为一比例常数，根据瞬时有功电流的定义，G的取值应使一个周期内isp(t)消耗的平均功率和is(t)消耗的平均功率相等，即

( 5 )

将式( 4 )代入式( 5 )，得

( 6 )

( 7 )

将式( 7 )代入式( 4 )，即可求得isp(t)，此时，与网侧电压正交的瞬时无功电流isq(t)为

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

( 8 )

3 单相级联 H 桥整流器无锁相环瞬态直接电流控制

3.1 无锁相环瞬态直接电流整体控制

对于单相级联H桥整流器，由于通过各级联单元的电流相同，通常将其看作一个单相单级整流器，其输出直流电压为各级联单元直流电压之和。为了让单相级联H桥整流器在单位功率因数下运行，并且输出的直流总电压稳定在参考值，需要对整流器进行整体控制。根据式( 3 )，瞬态直接电流整体控制方法的数学公式为

( 9 )

(10)

3.2 无锁相环电容电压均衡控制

由于各级联单元自身损耗、电容容量误差以及负载不平衡等因素，各单元直流侧电容电压是不平衡的，这样会影响系统的正常稳定工作，因此，需要对各级联单元直流侧电容电压进行均衡控制。

本文采用文献[7]所提出的电容电压平衡控制思想：先假设各级联单元负载均衡，采用相同的调制比d，然后根据各单元输出电压的差异来求得对应的调制比增量Δdi，最后通过增量重新配置各级联单元调制比di，从而实现各级联单元直流侧电容电压的均衡控制。

由式(10)得

(11)

4 仿真验证

为验证本文所提方法的正确性和有效性，以单相两单元级联H桥整流器为例，进行仿真研究。仿真参数见表1。

表1 系统仿真参数

4.1 理想电网电压情况下的仿真

网侧电压为理想情况，为验证本文所提方法在负载突变时的有效性，假设R1保持5 Ω不变，R2在0.5 s时从5 Ω突变为3 Ω，负载出现不平衡。

负载不平衡时的仿真波形见图5。图5(a)是网侧电压电流波形，可以看出，两波形完全一致，即整流器单位功率因数运行；图5(b)是两级联单元直流侧电容电压波形，尽管负载出现了不平衡，但电容电压很快达到了平衡；图5(c)是整流器交流侧输入电压uab波形，由于采用了载波移相技术，实现了5电平输出。由此说明，在网侧电压为理想情况时，无论负载是否平衡，本文所提无锁相环控制方法依然能够实现单相级联H桥整流器的控制目标，与理论分析一致。

4.2 非理想电网电压情况下的仿真

为了验证本文所提无锁相环控制方法在非理想电网电压情况下以及负载不平衡时的正确性，对负载不平衡下(R1=5 Ω，R2=3 Ω)，网侧电压幅值变化、频率偏移、相位突变以及电压畸变时分别进行了仿真验证。

4.2.1 网侧电压幅值变化

假设网侧电压在0.3 s时幅值升高到110 V，0.6 s时恢复，0.9 s时突然降低至90 V。

网侧电压幅值变化时的仿真波形见图6。通过仿真结果可以发现，虽然此时网侧电流幅值也发生了变化，但是依然能够迅速地与网侧电压波形保持一致，而且即便负载不平衡，但是直流侧电容电压依然可以很快达到平衡和稳定。仿真验证了该方法能很好地应对网侧电压幅值变化的情况。

4.2.2 网侧电压频率偏移

假设网侧电压在0.3 s时频率突然偏移至49.5 Hz，0.6 s时恢复，0.9 s时再次突然偏移至50.5 Hz，网压频率偏移时的仿真波形见图7。

由图7可以看出，当网侧电压频率偏移时，仅需不到1个周波的时间网侧电流电压恢复了同频同相位，同时直流侧电容电压也很快达到了平衡和稳定，由此说明该方法在负载不平衡下对网压频率偏移仍然有很好的动态控制性能。

4.2.3 网侧电压相位突变

假设网侧电压相位在0.3 s时由0°突变至60°，0.6 s时恢复，0.9 s时再突变至-30°，相位突变时的仿真波形见图8。

由图8可见，当网侧电压相位突变时，网侧电流与网侧电压很快达到同频同相位，直流侧电容电压也迅速保持均衡和稳定，说明该方法应对网侧电压相位突变的有效性。

4.2.4 网侧电压畸变

假设网侧电压在0.6 s时发生畸变，叠加了20%的3次谐波和5%的5次谐波，仿真结果见图9。

由图9的仿真波形可见，在网侧电压畸变时，虽然网侧电流也同时发生了畸变，但是网侧电流电压很快就能保持波形一致，同时直流侧电容电压迅速达到平衡和稳定，仿真验证了所提无锁相环控制方法在负载不平衡及网侧电压畸变时具有较快的响应速度。

5 结论

本文针对无工频牵引变压器牵引传动系统前端单相级联H桥整流器，根据瞬时有功电流的定义，提出了一种无锁相环瞬态直接电流控制方法，通过理论分析和仿真验证，得到以下结论：

(1) 在无锁相环瞬态直接电流整体控制下，无论网侧电压是否为理想情况以及负载是否平衡，网侧电流都可以实时准确地跟踪网侧电压，系统工作在单位功率因数。

(2) 采用无锁相环直流侧电容电压均衡控制方法，即便在非理想网压情况下及负载不平衡时，直流侧电容电压均可以保持均衡和稳定。

(3) 该方法可以向更多级联单元扩展，物理意义明确。