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摘 要：文章针对单相级联H桥整流器在实际中交流侧电感值变化、系统不能彻底解耦、参数变化易影响系统等问题，提出一种新型电压电流双闭环控制策略。该策略电压外环采用滑模控制，电压内环采用无电感参数的电流解耦控制策略。在Matlab/Simulink软件中建立单相两级级联H桥仿真模型，并在负载突变和电感突变的情况下与传统PI控制进行对比。对比结果表明，该系统鲁棒性较强，动、静态性能优越。
关键词：电力电子变压器;单相级联H桥整流器;滑模控制;无电感值解耦
中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）10-001-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.10.001
随着输配电等级的不断提高，新型级联型电力电子变压器省去了传统体积庞大的工频变压器，实现了网侧与负载间的电气隔离和能量双向流动，因此得到广泛应用。其整流级直接连接电网，采用H桥型拓扑结构，使器件串联均压，实现了电压等级的提升。各桥直流侧电容电压不均衡，各参数易变化而影响系统性能是级联拓扑结构推行亟需解决的关键问题[1]。该问题会对后级电路产生不同程度的影响。
文章以单相两级级联H桥型整流器为研究对象，研究了一种电压外环滑模控制，电流环无电感参数解耦相结合的双闭环复合控制策略，实现较强的抗干扰能力，最后通过Simulink仿真分析并与传统PI控制对比，验证该控制策略的可行性和有效性。
1 级联H桥整流器数学模型
单相两级级联H桥整流器拓扑结构如图1所示。图中，es为电网电压，is为交流侧输入电流，r为输入侧等效电阻，L为网侧电感和线路等效电感之和，S1i为1桥臂的开关器件，S2i为2桥臂的开关器件，Ci、Ri、Di分别为H桥直流侧电容，负载以及占空比。
根据基尔霍夫电流与电压方程，并采用构建虚拟正交分量的方法，再经过αβ到dq变换后，得到单相两级级联H桥整流器的数学模型为[2]：
（1）
式中，esd、id、Dd分别为电网电压es、输入电流i和占空比D的d轴分量，esq、iq、Dq为上述值在q轴的分量。
2 级联H桥整流器控制策略
2.1 电壓外环滑膜控制
设计滑模控制器的目的与PWM整流器的要求相一致，都为实现单位功率运行和实现直流侧电容电压平衡[3]。滑模函数s（x）中的x变量在此选用参考变量值与实际变量值之间的误差作为新的状态变量，设e1=i*q-iq，e2=u*dc-udc，e3=e2=u*dc-udc
系统的滑模函数可表示为：
（2）
其中，β=k2/k1是滑模控制的反馈系数。单相PWM整流器在旋转参考坐标系中esd= 2eRMS，esq=0，u*=udc，忽略开关损耗得：
（3）
将（3）代入（2），得：
2.2 电流内环无电感参数解耦控制
采用虚拟正交法，可以得到整流器输入电压ucon在dq坐标系下的电压分量为：
（4）
由式（4）可以看出id、iq之间有耦合关系。由式（4）可以推导出单相级联H桥整流器静止αβ坐标系下的方程为：
（5）
经过αβ到dq变换过程中，用旋转坐标系下的微分算子d/dt+jω来替代静止坐标系下的微分算子d/dt，并将R+jωL看作一个整体，设计PI控制器为：
于是进一步可得：
（7）
对照式（7）和式（4），可从中看出，ωkp（i* q-iq）/s和ωkp（i* d-id）/s分别替代ωLiq和ωLid，减少了电感参数的影响。
文章所采用的系统控制框图如图2所示：
3 仿真结果及分析
在MATLAB/Simulink进行仿真验证，各项参数如下表所示：网侧输入电压310 V，各级直流侧电压参考值为160 V，交流侧的滤波电感值L=4 mH，直流侧电容值C=2.25 mF，开关频率为10 kHz。滑模控制的反馈系数β=0.0055。
3.1 负载突变时系统的响应
在0.6 s时，桥1的负载保持不变，桥2的负载由40 Ω突变为80 Ω。在0.8 s时，桥2的负载恢复至40 Ω。从图3可以看出，采用传统PI控制策略下的直流侧电容电压udc1和udc2的波动范围明显比文章控制策略大，且文章控制策略电压平衡速度更快。
3.2 电感突变时系统的响应
系统运行的实际情况中，电感参数可能会发生一定的改变。当t=0.4 s时，系统的电感值由5 mH变化至10 mH。从图4可以看出，传统控制策略直流侧电容电压发生明显波动，而采用文章控制策略电容电压值浮动范围很小，文章的控制策略有效减少了电感参数的影响。
4 结语
文章根据单相级联H桥型整流器的数学模型，提出dq旋转坐标系下无电感参数解耦电流内环和滑模控制电压外环的复合控制策略，通过仿真与传统PI控制进行对比。结果表明，系统在负载突变和电感突变的情况下具有优越的动、静态性能，鲁棒性强。
参考文献
[1] 李子欣，高范强，赵聪，等.电力电子变压器技术研究综述[J].中国电机工程学报，2018，38（5）：1274-1289.
[2] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2012.
[3] 张承畅，罗建昌，张华誉，等.基于滑模电压控制的级联H桥整流器研究[J].电气传动，2018，48（11）：34-38.
关键词：电力电子变压器;单相级联H桥整流器;滑模控制;无电感值解耦
中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）10-001-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.10.001
随着输配电等级的不断提高，新型级联型电力电子变压器省去了传统体积庞大的工频变压器，实现了网侧与负载间的电气隔离和能量双向流动，因此得到广泛应用。其整流级直接连接电网，采用H桥型拓扑结构，使器件串联均压，实现了电压等级的提升。各桥直流侧电容电压不均衡，各参数易变化而影响系统性能是级联拓扑结构推行亟需解决的关键问题[1]。该问题会对后级电路产生不同程度的影响。
文章以单相两级级联H桥型整流器为研究对象，研究了一种电压外环滑模控制，电流环无电感参数解耦相结合的双闭环复合控制策略，实现较强的抗干扰能力，最后通过Simulink仿真分析并与传统PI控制对比，验证该控制策略的可行性和有效性。
1 级联H桥整流器数学模型
单相两级级联H桥整流器拓扑结构如图1所示。图中，es为电网电压，is为交流侧输入电流，r为输入侧等效电阻，L为网侧电感和线路等效电感之和，S1i为1桥臂的开关器件，S2i为2桥臂的开关器件，Ci、Ri、Di分别为H桥直流侧电容，负载以及占空比。
根据基尔霍夫电流与电压方程，并采用构建虚拟正交分量的方法，再经过αβ到dq变换后，得到单相两级级联H桥整流器的数学模型为[2]：
（1）
式中，esd、id、Dd分别为电网电压es、输入电流i和占空比D的d轴分量，esq、iq、Dq为上述值在q轴的分量。
2 级联H桥整流器控制策略
2.1 电壓外环滑膜控制
设计滑模控制器的目的与PWM整流器的要求相一致，都为实现单位功率运行和实现直流侧电容电压平衡[3]。滑模函数s（x）中的x变量在此选用参考变量值与实际变量值之间的误差作为新的状态变量，设e1=i*q-iq，e2=u*dc-udc，e3=e2=u*dc-udc
系统的滑模函数可表示为：
（2）
其中，β=k2/k1是滑模控制的反馈系数。单相PWM整流器在旋转参考坐标系中esd= 2eRMS，esq=0，u*=udc，忽略开关损耗得：
（3）
将（3）代入（2），得：
2.2 电流内环无电感参数解耦控制
采用虚拟正交法，可以得到整流器输入电压ucon在dq坐标系下的电压分量为：
（4）
由式（4）可以看出id、iq之间有耦合关系。由式（4）可以推导出单相级联H桥整流器静止αβ坐标系下的方程为：
（5）
经过αβ到dq变换过程中，用旋转坐标系下的微分算子d/dt+jω来替代静止坐标系下的微分算子d/dt，并将R+jωL看作一个整体，设计PI控制器为：
于是进一步可得：
（7）
对照式（7）和式（4），可从中看出，ωkp（i* q-iq）/s和ωkp（i* d-id）/s分别替代ωLiq和ωLid，减少了电感参数的影响。
文章所采用的系统控制框图如图2所示：
3 仿真结果及分析
在MATLAB/Simulink进行仿真验证，各项参数如下表所示：网侧输入电压310 V，各级直流侧电压参考值为160 V，交流侧的滤波电感值L=4 mH，直流侧电容值C=2.25 mF，开关频率为10 kHz。滑模控制的反馈系数β=0.0055。
3.1 负载突变时系统的响应
在0.6 s时，桥1的负载保持不变，桥2的负载由40 Ω突变为80 Ω。在0.8 s时，桥2的负载恢复至40 Ω。从图3可以看出，采用传统PI控制策略下的直流侧电容电压udc1和udc2的波动范围明显比文章控制策略大，且文章控制策略电压平衡速度更快。
3.2 电感突变时系统的响应
系统运行的实际情况中，电感参数可能会发生一定的改变。当t=0.4 s时，系统的电感值由5 mH变化至10 mH。从图4可以看出，传统控制策略直流侧电容电压发生明显波动，而采用文章控制策略电容电压值浮动范围很小，文章的控制策略有效减少了电感参数的影响。
4 结语
文章根据单相级联H桥型整流器的数学模型，提出dq旋转坐标系下无电感参数解耦电流内环和滑模控制电压外环的复合控制策略，通过仿真与传统PI控制进行对比。结果表明，系统在负载突变和电感突变的情况下具有优越的动、静态性能，鲁棒性强。
参考文献
[1] 李子欣，高范强，赵聪，等.电力电子变压器技术研究综述[J].中国电机工程学报，2018，38（5）：1274-1289.
[2] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2012.
[3] 张承畅，罗建昌，张华誉，等.基于滑模电压控制的级联H桥整流器研究[J].电气传动，2018，48（11）：34-38.