基于预测PI的级联H桥整流器准比例谐振控制研究

卢绍群

摘  要：文章以单相级联H桥整流器为研究对象，主要从系统双闭环控制和直流侧电容电压平衡控制方面入手对其实现方法进行优化，以解决现有控制方案电流谐波含量大，电容电压均衡效果差等缺点。文章中电流环控制采用准PR控制，电容电压均衡采用预测PI控制，并通过仿真分析验证了文章所提优化控制方案的优越性。

关键词：级联型H桥整流器;PWM调制;双环控制;电容电压平衡控制

中图分类号：TM461        文献标志码：A         文章编号：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

目前關于级联型H桥整流器的研究有很多，其研究的主要目标为提高输入侧功率因数、降低谐波含量，提高直流侧输出电压稳定以及实现各级联模块直流侧电容电压的均衡控制等。针对上述控制目标，国内外学者对级联H桥做了很多研究。文献[1-4]主要从调制方式入手，研究调制形式对H桥整流器的谐波含量以及电容电压均衡的影响，比如载波移相、载波轮换、载波层叠以及相应的改进方案等。文献[5-6]主要从控制策略入手，以实现级联H桥整流器的电压均衡和功率均衡问题。目前关于级联H桥整流器的解决方案很多，但只能针对性的对某一问题进行解决或者随着系统级联数目的增加，系统控制变的冗余复杂。

本文将从级联H桥整流器的整体控制方案入手并结合传统控制策略，提出了一种PI+预测的电压均衡控制方法，即使在负载不平衡的情况下也能快速实现电容电压的平衡。本文在理论分析的基础上，通过仿真实验证明了本文所述整体控制方案的有效性和可行性。

1 级联型H桥整流器数学模型

理论上H桥整流器的级联个数需要根据实际需求确定，本文以n模块级联为例进行说明，其拓扑结构如图1所示。Us为交流电压，L为平波电抗器，Udcn为各模块直流侧电压，Rn为直流侧负载。

为了便于数学建模，假定各电路器件均为理想器件，可定义理想开关函数Sna、Snb，同时结合级联型H桥整流器的主电路拓扑，可以得到其数学模型

单个H桥整流桥输入电压、电流与开关函数之间的函数关系为

然后根据开关函数与电压电流的关系，可以将上式数学模型写成以下形式

2 级联H桥整流器控制系统设计

2.1 基于准PR的电流内环设计

由于单相H桥整流器的电流为交流量，如果用PI控制无法实现无静差控制，所以当采用PI调节时一般需要进行坐标虚拟变换，变换后的H桥整流器存在耦合量，导致控制系统复杂化，所以本文电流内环采用PR控制。PR调节器的传递函数为：

PR控制器在基波频率出的增益很大，可以实现并网电流的基波分量无静差调节。但是由于实际电网频率具有波动性，当电网频率偏离PR调节器的基波频率时，PR调节器提供的增益将迅速下降，使得并网电流稳态误差增大。所以本文对PR调节器进行了一定处理，其传递函数为：

这样不仅可以实现并网电流的无静差调节还可以减小电网频率波动对控制器谐振点造成的影响[6]，改进后的PR调节器可以在较宽的频带内获得较高的增益，提高了对电网频率的适应性。

2.2 基于PI的电压外环设计

由于级联型H桥是串行连接，通过每个H桥模块的电流相同，所以级联型H桥的电压外环控制需建立在同一个电流内环的基础之上。分析电压外环控制需要从功率守恒的角度入手，在一个工频周期内，电网输入有功功率等于整流器直流侧输出功率。电压外环的控制目标在于保证级联H桥整流器直流母线总体电压恒定，级联型H桥整流器的双环控制结构如图2所示。其中外环控制器采用PI调节器，内环电流控制器采用上节所提的准PR控制器。

3 基于预测PI的直流侧电容电压均衡控制

对于级联型H桥整流器而言，直流侧各级模块电容电压的均衡控制是控制的重点和难点。造成直流侧电容电压不均衡的原因有很多，比如调制方式的不同、开关延时、负载变化以及硬件参数的不一致等。目前实际常用的控制策略有电压排序平衡控制，脉冲补偿平衡控制等。由于排序法属于开环控制，抗干扰能力较弱，所以本文将在脉冲补偿平衡的方法上进行优化。

脉冲补偿平衡控制的原理为根据电压各级模块实际直流电压与平均电压的差值求得占空比的补偿量，通过修正各模块占空比，从而实现直流侧电容电压的均衡控制。下面分析调制比与直流电压的关系，假设第n个H桥的调制比为dn，从而在一個开关周期内有

此外根据电荷守恒定律有

从上式可以看出直流侧各级模块的直流电压偏差与调制比有直接关系，所以我们可以通过增加一个调制比增量来调整直流侧电压的偏差。加入调制比增量后进一步整理有

本文在传统的PI调节部分加入预测环节，即采用预测PI控制代替传统PI调节进行电容电压均衡控制，如图3所示。加入预测环节的PI调节器传递函数如式10所示，其中m为采样滞后次数。

由其结构可以看出预测PI控制算法不仅具有PI算法的功能，而且能够对控制对象发生变化时进行预测，能够消除控制作用的盲目性，是对传统PI控制的补充优化。

4 仿真验证

4.1 传统PR与准PR控制的对比仿真

本文根据级联型H桥整流器的拓扑结构搭建了四模块级联型的MATLAB仿真模型。各部分仿真参数设置如表1。

仿真对比如图4所示，采用传统PR控制时，交流电流的THD为4.30%，而采用准PR控制时，交流电流的THD为1.59%，可见准PR控制能够获得更好的波形质量。

4.2 传统PI与预测PI控制的对比仿真

图5为初始电容电压不均衡的情况下，采用传统PI控制的级联型H桥整流器直流侧电容电压的仿真波形。图6为初始电容电压不均衡的情况下，采用预测PI控制的级联型H桥整流器直流侧电容电压的仿真波形。

从图中可以看出，采用预测PI控制的电容电压均衡控制，能够使电容电压纹波更小，且幅值更稳定，从而证明了本方案的合理性与可行性。

图7为负载不平衡下，基与传统PI调节的直流电容电压均衡情况。图8为负载不平衡突变的情况下，基于预测PI的直流电容均压情况。经过对比发现，基于预测PI的电容电压均衡策略比传统PI调节更有效，输出电压纹波更小。此外在负载发生突变时，基于预测PI的电容电压均衡策略电容电压调节响应更迅速，偏差更小。

5 结论

本文根据级联型H桥整流器的工作原理，搭建了相应的仿真，通过仿真分析证明了本文所述级联型H桥整流器的电流环准PR调节的可行性，能够获得更好的波形质量。同时证明了本文所述预测PI控制比传统PI调节对电容电压均衡控制更有效，也为级联型H桥整流器的大规模工程应用提供了宝贵经验。

参考文献：

[1]电力电子变压器机车网侧级联H桥整流器电容电压平衡方法[D].西南交通大学，2015.

[2]载波轮换调制在级联H桥型STATCOM中的应用[J].中国电机工程学报，2013，33（12）：99-106.

[3]蔡信健，吴振兴，孙乐，等.直流电压不均衡的级联H桥多电平变频器载波移相PWM调制策略的设计[J].电工技术学报，2016，31（1）：119-127.

[4]王聪，张国澎，王俊，等.一种适用于级联H桥整流直流侧电容电压快速平衡的新型调制方法[J].电工技术学报，2013，28（8）：120-127.

[5]王志冰，于坤山，周孝信.H桥级联多电平变流器的直流母线电压平衡控制策略[J].中国电机工程学报，2012，32（6）：56-63.

[6]并网型级联H桥变换器直流电压平衡和功率均衡控制策略[J].电力自动化设备，2014，34（1）：55-60.