丁菊霞， 李群湛

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

為了適應(yīng)高速、節(jié)能、環(huán)保的要求，輕量化是高速列車未來發(fā)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(duì)高速列車輕量化具有重要的意義。級(jí)聯(lián)H橋型變流器由于具有控制簡單、易于實(shí)現(xiàn)高電壓輸出以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已成為高壓大容量電氣傳動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，以單相級(jí)聯(lián)H橋整流器和中頻隔離DC-DC變換器相結(jié)合的、變流技術(shù)為核心的、無工頻牽引變壓器牽引傳動(dòng)技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注[1-4]，必將是未來高速列車牽引傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向。

單相級(jí)聯(lián)H橋整流器的控制目標(biāo)有2個(gè)：一是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流對(duì)電壓的實(shí)時(shí)精確跟蹤，使系統(tǒng)單位功率因數(shù)運(yùn)行；二是控制直流側(cè)電容電壓保持均衡與穩(wěn)定，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。由于單相級(jí)聯(lián)H橋整流器各級(jí)聯(lián)單元流過的電流相同，只能用同一個(gè)電流來調(diào)節(jié)各單元的直流電壓，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的電壓電流同頻同相位，實(shí)現(xiàn)起來比較困難，在負(fù)載相差比較大時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，控制尤為困難。為此，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作，文獻(xiàn)[5]針對(duì)級(jí)聯(lián)H橋整流器的控制進(jìn)行了深入研究，在PI控制的基礎(chǔ)上，引入了諧振控制器和模型預(yù)測控制。文獻(xiàn)[6-14]均采用了電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。針對(duì)直流側(cè)電容電壓不平衡問題，文獻(xiàn)[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(shí)時(shí)改變調(diào)制比的電壓平衡算法，以及基于比例-積分調(diào)節(jié)的改進(jìn)算法。文獻(xiàn)[9]提出了一種改進(jìn)的載波同相層疊正弦脈寬調(diào)制的電壓平衡方法。文獻(xiàn)[10-12]分別提出了基于補(bǔ)償分量注入的單極性載波移相脈寬調(diào)制電壓方法和基于疊加補(bǔ)償分量調(diào)節(jié)冗余基本矢量作用時(shí)間的SVPWM方法。文獻(xiàn)[13]提出了一種改進(jìn)的比例式脈沖補(bǔ)償平衡策略來解決不同負(fù)載工況下的直流側(cè)電壓平衡控制。文獻(xiàn)[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(guān)系修正有功和無功占空比使直流側(cè)電壓達(dá)到平衡。

以上文獻(xiàn)都是在網(wǎng)側(cè)電壓為理想情況時(shí)所做的研究，并且都需要鎖相環(huán)獲取網(wǎng)側(cè)電壓的頻率和相位信號(hào)，方可實(shí)現(xiàn)單相級(jí)聯(lián)H橋整流器的控制目標(biāo)。使用鎖相環(huán)雖然可以得到與網(wǎng)側(cè)電壓同頻同相的單位正余弦信號(hào)，但是也容易受到網(wǎng)側(cè)電壓的影響，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生畸變以及相位、頻率波動(dòng)等動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問題時(shí)很難實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地相位跟蹤，同時(shí)考慮到鎖相環(huán)自身的誤差問題，勢必會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和控制性能[15]。雖然國內(nèi)外對(duì)無鎖相環(huán)控制技術(shù)進(jìn)行了一定的研究，但是目前極少有文獻(xiàn)研究單相級(jí)聯(lián)H橋整流器的無鎖相環(huán)控制方法。僅有文獻(xiàn)[16]介紹了一種單相級(jí)聯(lián)H橋整流器無鎖相環(huán)控制方法，但是采用的電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制方法在級(jí)聯(lián)單元較多時(shí)需要的PI調(diào)節(jié)器較多，從而使PI參數(shù)的選擇變得困難，并且不能空載時(shí)運(yùn)行[8]；同時(shí)，該方法基于三相瞬時(shí)功率理論，需要虛擬坐標(biāo)軸和坐標(biāo)變換以計(jì)算網(wǎng)側(cè)電流指令信號(hào)，占用存儲(chǔ)空間的同時(shí)無法實(shí)現(xiàn)精確計(jì)算。

瞬態(tài)直接電流控制由于具有良好的動(dòng)態(tài)特性，在電網(wǎng)電壓畸變下，基于能量傳輸損失最小的瞬時(shí)功率理論物理意義更明確[19]。因此，針對(duì)以上問題，本文提出了一種無鎖相環(huán)單相級(jí)聯(lián)H橋整流器瞬態(tài)直接電流控制方法，該方法根據(jù)瞬時(shí)有功電流的定義，無需網(wǎng)側(cè)電壓鎖相環(huán)即可直接得到與網(wǎng)側(cè)電壓波形一致的電流指令信號(hào)及各級(jí)聯(lián)單元調(diào)制比增量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了在非理想電網(wǎng)電壓情況下以及直流負(fù)載不平衡時(shí)單相級(jí)聯(lián)H橋整流器依然能夠工作在單位功率因數(shù)，以及直流側(cè)電容電壓依然能夠保持均衡和穩(wěn)定。更重要的是，該方法物理意義明確。為驗(yàn)證所提方法的準(zhǔn)確性，以單相兩單元級(jí)聯(lián)H橋整流器為例，做了仿真分析和驗(yàn)證。

1 單相級(jí)聯(lián) H 橋整流器工作原理

1.1 單相級(jí)聯(lián) H 橋整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單相級(jí)聯(lián)H橋整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。圖中，us(t)，is(t)分別為網(wǎng)側(cè)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(gè)級(jí)聯(lián)單元的開關(guān)器件，T21，T22，T23，T24為第2個(gè)級(jí)聯(lián)單元的開關(guān)器件，Tn1，Tn2，Tn3，Tn4為第n個(gè)級(jí)聯(lián)單元的開關(guān)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(gè)級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容和等效負(fù)載電阻；Udi為第i個(gè)級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓；uab為單相級(jí)聯(lián)H橋整流器交流側(cè)輸入電壓。一般情況下，取Cd1=Cd2=…=Cdn=Cd。

為便于分析，定義各開關(guān)管的通斷狀態(tài)Tij為

i=1,2,…,nj=1,2,3，4

( 1 )

定義第i個(gè)級(jí)聯(lián)單元的開關(guān)狀態(tài)為Si，則有

Si=Ti1-Ti3

( 2 )

忽略電阻Rs，借助開關(guān)函數(shù)Si，該拓?fù)涞臄?shù)學(xué)模型為

( 3 )

1.2 單相級(jí)聯(lián) H 橋整流器CPS-SPWM調(diào)制原理

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

2 瞬時(shí)有功電流的定義

根據(jù)Fryze時(shí)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(chǎn)生有功功率的分量為瞬時(shí)有功電流isp(t)，為

isp(t)=Gus(t)

( 4 )

式中：G為一比例常數(shù)，根據(jù)瞬時(shí)有功電流的定義，G的取值應(yīng)使一個(gè)周期內(nèi)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(shí)，與網(wǎng)側(cè)電壓正交的瞬時(shí)無功電流isq(t)為

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

( 8 )

3 單相級(jí)聯(lián) H 橋整流器無鎖相環(huán)瞬態(tài)直接電流控制

3.1 無鎖相環(huán)瞬態(tài)直接電流整體控制

對(duì)于單相級(jí)聯(lián)H橋整流器，由于通過各級(jí)聯(lián)單元的電流相同，通常將其看作一個(gè)單相單級(jí)整流器，其輸出直流電壓為各級(jí)聯(lián)單元直流電壓之和。為了讓單相級(jí)聯(lián)H橋整流器在單位功率因數(shù)下運(yùn)行，并且輸出的直流總電壓穩(wěn)定在參考值，需要對(duì)整流器進(jìn)行整體控制。根據(jù)式( 3 )，瞬態(tài)直接電流整體控制方法的數(shù)學(xué)公式為

( 9 )

(10)

3.2 無鎖相環(huán)電容電壓均衡控制

由于各級(jí)聯(lián)單元自身損耗、電容容量誤差以及負(fù)載不平衡等因素，各單元直流側(cè)電容電壓是不平衡的，這樣會(huì)影響系統(tǒng)的正常穩(wěn)定工作，因此，需要對(duì)各級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓進(jìn)行均衡控制。

本文采用文獻(xiàn)[7]所提出的電容電壓平衡控制思想：先假設(shè)各級(jí)聯(lián)單元負(fù)載均衡，采用相同的調(diào)制比d，然后根據(jù)各單元輸出電壓的差異來求得對(duì)應(yīng)的調(diào)制比增量Δdi，最后通過增量重新配置各級(jí)聯(lián)單元調(diào)制比di，從而實(shí)現(xiàn)各級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓的均衡控制。

由式(10)得

(11)

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提方法的正確性和有效性，以單相兩單元級(jí)聯(lián)H橋整流器為例，進(jìn)行仿真研究。仿真參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

4.1 理想電網(wǎng)電壓情況下的仿真

網(wǎng)側(cè)電壓為理想情況，為驗(yàn)證本文所提方法在負(fù)載突變時(shí)的有效性，假設(shè)R1保持5 Ω不變，R2在0.5 s時(shí)從5 Ω突變?yōu)? Ω，負(fù)載出現(xiàn)不平衡。

負(fù)載不平衡時(shí)的仿真波形見圖5。圖5(a)是網(wǎng)側(cè)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(shù)運(yùn)行；圖5(b)是兩級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓波形，盡管負(fù)載出現(xiàn)了不平衡，但電容電壓很快達(dá)到了平衡；圖5(c)是整流器交流側(cè)輸入電壓uab波形，由于采用了載波移相技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了5電平輸出。由此說明，在網(wǎng)側(cè)電壓為理想情況時(shí)，無論負(fù)載是否平衡，本文所提無鎖相環(huán)控制方法依然能夠?qū)崿F(xiàn)單相級(jí)聯(lián)H橋整流器的控制目標(biāo)，與理論分析一致。

4.2 非理想電網(wǎng)電壓情況下的仿真

為了驗(yàn)證本文所提無鎖相環(huán)控制方法在非理想電網(wǎng)電壓情況下以及負(fù)載不平衡時(shí)的正確性，對(duì)負(fù)載不平衡下(R1=5 Ω，R2=3 Ω)，網(wǎng)側(cè)電壓幅值變化、頻率偏移、相位突變以及電壓畸變時(shí)分別進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

4.2.1 網(wǎng)側(cè)電壓幅值變化

假設(shè)網(wǎng)側(cè)電壓在0.3 s時(shí)幅值升高到110 V，0.6 s時(shí)恢復(fù)，0.9 s時(shí)突然降低至90 V。

網(wǎng)側(cè)電壓幅值變化時(shí)的仿真波形見圖6。通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雖然此時(shí)網(wǎng)側(cè)電流幅值也發(fā)生了變化，但是依然能夠迅速地與網(wǎng)側(cè)電壓波形保持一致，而且即便負(fù)載不平衡，但是直流側(cè)電容電壓依然可以很快達(dá)到平衡和穩(wěn)定。仿真驗(yàn)證了該方法能很好地應(yīng)對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓幅值變化的情況。

4.2.2 網(wǎng)側(cè)電壓頻率偏移

假設(shè)網(wǎng)側(cè)電壓在0.3 s時(shí)頻率突然偏移至49.5 Hz，0.6 s時(shí)恢復(fù)，0.9 s時(shí)再次突然偏移至50.5 Hz，網(wǎng)壓頻率偏移時(shí)的仿真波形見圖7。

由圖7可以看出，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓頻率偏移時(shí)，僅需不到1個(gè)周波的時(shí)間網(wǎng)側(cè)電流電壓恢復(fù)了同頻同相位，同時(shí)直流側(cè)電容電壓也很快達(dá)到了平衡和穩(wěn)定，由此說明該方法在負(fù)載不平衡下對(duì)網(wǎng)壓頻率偏移仍然有很好的動(dòng)態(tài)控制性能。

4.2.3 網(wǎng)側(cè)電壓相位突變

假設(shè)網(wǎng)側(cè)電壓相位在0.3 s時(shí)由0°突變至60°，0.6 s時(shí)恢復(fù)，0.9 s時(shí)再突變至-30°，相位突變時(shí)的仿真波形見圖8。

由圖8可見，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓相位突變時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流與網(wǎng)側(cè)電壓很快達(dá)到同頻同相位，直流側(cè)電容電壓也迅速保持均衡和穩(wěn)定，說明該方法應(yīng)對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓相位突變的有效性。

4.2.4 網(wǎng)側(cè)電壓畸變

假設(shè)網(wǎng)側(cè)電壓在0.6 s時(shí)發(fā)生畸變，疊加了20%的3次諧波和5%的5次諧波，仿真結(jié)果見圖9。

由圖9的仿真波形可見，在網(wǎng)側(cè)電壓畸變時(shí)，雖然網(wǎng)側(cè)電流也同時(shí)發(fā)生了畸變，但是網(wǎng)側(cè)電流電壓很快就能保持波形一致，同時(shí)直流側(cè)電容電壓迅速達(dá)到平衡和穩(wěn)定，仿真驗(yàn)證了所提無鎖相環(huán)控制方法在負(fù)載不平衡及網(wǎng)側(cè)電壓畸變時(shí)具有較快的響應(yīng)速度。

5 結(jié)論

本文針對(duì)無工頻牽引變壓器牽引傳動(dòng)系統(tǒng)前端單相級(jí)聯(lián)H橋整流器，根據(jù)瞬時(shí)有功電流的定義，提出了一種無鎖相環(huán)瞬態(tài)直接電流控制方法，通過理論分析和仿真驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

(1) 在無鎖相環(huán)瞬態(tài)直接電流整體控制下，無論網(wǎng)側(cè)電壓是否為理想情況以及負(fù)載是否平衡，網(wǎng)側(cè)電流都可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤網(wǎng)側(cè)電壓，系統(tǒng)工作在單位功率因數(shù)。

(2) 采用無鎖相環(huán)直流側(cè)電容電壓均衡控制方法，即便在非理想網(wǎng)壓情況下及負(fù)載不平衡時(shí)，直流側(cè)電容電壓均可以保持均衡和穩(wěn)定。

(3) 該方法可以向更多級(jí)聯(lián)單元擴(kuò)展，物理意義明確。