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摘要：双向AC-DC变换器作为交直流混合微电网的重要组成部分，对系统的稳定运行和功率的协调分配有着重要作用。本文基于切换系统理论，提出一种双向AC-DC切换控制方法。该方法首先建立双向AC-DC切换动态模型，选取系统的储能函数作为共同Lyapunov函数。基于此，设计了系统最优切换律并分析了该切换律条件下系统在切换平衡点处的稳定性。为了便于控制器数字化实现，建立了切换系统单步预测模型并对切换策略离散化。仿真和实验结果验证了本文所采用的建模方法和控制策略的有效性。
关键词：双向AC-DC变换器；切换模型；电流控制
本文基于切换系统理论，首先建立双向AC-DC切换动态模型，然后采用储能函数作为系统Lyapunov函数，以系统能量衰减最快为目标设计了最优切换控制策略。同时为了便于控制器数字化实现，建立了切换系统单步预测模型并对控制策略进行离散化处理。由于直接对系统大信号过程进行建模，本文所得到的模型比较精确，增强了双向AC-DC变换器抗大范围扰动的能力。相对于传统的SVPWM调制方法，该算法无需进行矢量计算，对复杂电路的建模和分析更方便。本文最后进行了仿真模拟并搭建了实验平台，仿真和实验结果表明所采用的建模方法和控制策略有效。
1双向AC-DC变换器切换系统模型
双向AC-DC结构如图1所示，其中，Ea、Eb、Ec为交流侧三相电压；ia、ib、ic为交流侧三相电流；Udc为直流侧电压。R、L分别为滤波电抗器的电阻和电感；Ura、Urb、Urc为输入整流器的三相离散电压信号；C为滤波电容；kp(p=a,b,c)表征开关器件状态，定义kp=1表示第p对开关上桥壁开通，下桥壁关断，k=0表示下桥壁开通，上桥壁关断。
根据基尔霍夫电压定律，可以求出双向AC-DC变换器电流电压动态方程
式中
双向AC-DC变换器正常工作过程中，ka、kb、kc共对应8种有效开关组合，即：000、001、010、011、100、101、110、111。其中000和111组合作用相同，因此定义7种有效的切换模态，即σ(x)∈{1,2,···,7}，则系统开关函数可以表示为
式中，Spσ表示第p对开关在切换到s模式时的值，引入状态变量x=(ia,ib,ic)T，针对每一种开关组合，可以得到一种电路拓扑和相应的状态方程。假定三相交流电压对称，并忽略三相交流线路电阻电感的不对称性，得到双向AD-DC变换器切换模型为
其中
2交直流混合微电网中双向AC-DC的控制策略
在交直流混合微网、电池储能等多数场合中，双向AC-DC变流器被用来控制系统交流侧和直流侧间的能量流动，以保证交直流侧能量平衡，维持直流母线电压恒定。为此采用电压电流双闭环控制策略，控制策略如图2所示，其中电压外环采用PI控制，以直流母线电压稳定为控制目标。为了防止电压扰动造成频繁切换，采用了滞环给定方式，分别为整流和逆变过程电压给定。整流和逆变分别采用正向和负向电压调节器，二者输出限幅后相加作为电流内环的给定i*d，i*d＞0时系统工作于整流状态，双向变换器从交流侧传递能量到直流母线；i*d＜0时工作于逆变状态。为保证系统工作在单功率因数状态时，将i*q设置为0。
图2双向AC-DC变换器控制策略图
电流给定i*d、i*q经2/3变换后生成电流内环的参考给定x*（x*=(i*a,i*b,i*c)，根据最优切换路径设计方法，该给定与切换模型计算出的一个采样周期后的状态变量x(t+ΔT)比较，确定出下一周期最优切换路径，该切换路径所对应的一组开关组合即为下一个控制周期的逆变器驱动信号。
3仿真分析与实验验证
3.1仿真分析
在Matlab/Simulink环境下搭建仿真模型，双向AC-DC参数如下：滤波电感L=7mH；线路阻抗R=2，采样周期ΔT=100μs；直流母线电容C=470μF；电压外环PI调节器比例常数Kp=0.8，积分常数Ki=0.2；整流和逆变运行时的Udc分别为685V和700V；电网电压为380V/50Hz。图3为电流环控制仿真结果，仿真开始时系统给定电流i*d为10A，0.06s时给定i*d突变为-10A，对比采用传统控制方法和切换控制策略下电流响应情况。其中图3a为传统PI控制加SVPWM调制策略的结果，图3b为采用本文切换策略控制的结果。由图可知，切换算法在启动和给定电流突变过程中，系统的实际电流id都能够快速跟踪给定变换（响应时间＜0.0001s），几乎没有超调，整个过程中，a相电流波形正弦度良好。对比图3a和图3b可以发现，切换算法控制下系统动静态特性明显优于传统的PI控制策略。
图3电流环仿真结果
图4是模拟微网功率流动变化过程的双闭环控制的仿真结果，仿真过程中对直流母线突加突卸2kW负载，双向变换器由1kW逆变→1kW整流→1kW逆变。由图4可知，负载切换过程中直流母线电压能够在约0.01s内稳定，电压波动幅值最大不超过7%，仿真结果表明，本文控制策略能够有效控制微网中交流和直流间的功率流动，维持电压稳定。
图4双闭环仿真结果
3.2实验验证
采用与仿真相同的参数，在实验室搭建了AC-DC双向变换器实验系统，其中主控制器采用dsPACEMicroautoboxII-1401，采用Chroma-62150H-1000S可编程电源模拟可再生能源向直流母线提供功率，电阻箱用来模拟用电负载。设置系统采样周期DΔT=100μs，开关死区Td=3μs。
电流环控制实验结果如图5所示，初始时系统给定电流i*d为10A，随后给定突变为-10A，由a相电流和a相线电压的波形可知，整流时电流、电压同相位，逆变时电流超前电压180°，可以看出系统运行在单位功率因数，而且给定突变瞬间a相电流的动态响应迅速，过渡平稳。双闭环实验是变换器由逆变切换整流过程中a相电压电流波形和直流母线电压变化。由实验结果可知，双向AC-DC工作过程中电流正弦度良好，且可以实现整流和逆变之间的平滑无缝切换。
图5电流环实验结果
双闭环实验结果如图6所示，其中图6a是变换器由逆变切换整流过程中a相电压电流波形和直流母线电压变化图。其中图6b是变换器由整流切换逆变过程中a相电压电流波形和直流母线电压变化图。由实验结果可知，双向AC-DC工作过程中电流正弦度良好，且可以实现整流和逆变之间的平滑无缝切换。
图6双闭环实验结果
4结论
本文基于切换理论建立了双向AC-DC变换器的切换动态模型，以系统储能函数能量收敛最快为目标设计了最优切换序列控制算法，并证明了其稳定性。通过切换系统单步预测模型对切换律进行离散化。仿真和实验结果表明系统静态和动态控制效果都较好；验证了模型的正确性以及控制策略的有效性。相对于传统的平均状态建模方法，切换系统理论建模更利于描述电力电子电路的变结构行为，而且通过设计切换路径完成开关管控制，不需要任何PWM调制策略，原理简单、实现容易。
参考文献：
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