单相高频链矩阵式逆变器单周期内环控制的仿真研究

# 技术文库 2013-01-04 10:00 来源：中国电力电子产业网

　　摘要：应用单周期控制的逆变器可以增强逆变器对直流输入的抗扰性。在单周期控制上辅助电压及电流外环，可以改善单周期控制的带负载能力。本文针对单相电压型高频链矩阵式逆变器，研究了一种基于单周期内环控制的新型多环SPWM控制策略，仿真验证了其在抑制直流侧扰动和带负载能力上的有效性。整流器

　　关键词：单周期控制,高频链,矩阵变换器,逆变器

　　1.引言

　　对于逆变器而言，非线性负载的谐波电流常会在输出端产生压降;驱动信号的死区时间也会给输出电压带来开关频率以下的谐波污染;过调制技术导致的削顶现象以及系统的杂散参数都会影响输出电压的波形质量，所以开环PWM 技术很难满足输出电压的波形要求。因此逆变器闭环的波形控制技术，成为人们研究的热点。本文研究高频链逆变器的基于单周期控制的闭环控制，以探讨其在抑制直流侧扰动和带负载能力上的有效性。

　　2.单周期控制

　　开关变换器是脉冲的非线性动态函数，目前大多数的控制方法是先把模型方程线性化，再利用线性反馈实现控制。传统的电压控制通过改变占空比来实现，但是当输入电压变化时，占空比不会马上改变，调节输出电压，而是先引起输出电压改变，然后是误差信号，最后才是占空比，使输出电压朝着稳定的方向改变，但这一过程需要几个开关周期，持续时间由环路增益带宽决定。传统的电流峰值控制，要增加斜坡补偿函数，才能使占空比可以在广泛范围内变换，但是电感电流的下降斜率是一个动态的变化函数与很多因素有关，因而选择与之相抵消的斜率是困难的。针对以上不足学者Keyue M Smedley 提出了单周期控制 (One Cycle Control) [1]。单周期控制是一种非线性控制，其核心思想是在每一个开关周期内使受控量的平均值恰好等于或正比于控制参考信号。无论系统处于稳态还是暂态，能够在一个开关周期内，有效地抑制电源侧的扰动，不存在误差。可广泛应用于非线性场合中[2]。

　　3.解结耦控制策略

　　由图 1 全桥式高频链矩阵逆变器拓扑可发现，当前级逆变器输出的高频方波极性在一个周期内交替变化时，如果只考虑半个高频周期，矩阵变换器的输入可以看成是脉动直流，这时可以把矩阵变换器看成是普通逆变器。当高频变压器输出为正电压时，认为是图1 中的正组逆变器(Sp1、Sp2、Sp3、Sp4)工作，反之，当高频变压器输出电压反向时，认为是负组逆变器(Sn1、Sn2、Sn3、Sn4)工作，这样就可以将矩阵变换器拓扑解耦成两个常规电压源型逆变器反并联结构，从而就可以将常规电压源型逆变器的控制方法引入其中，进而就可将对矩阵变换器的分析转化为在开关周期的不同阶段对电压源型逆变器的分析，大大简化了对矩阵变换器分析的难度，这就是“拓扑解耦”控制思想的核心所在[5]。通过解耦工作，矩阵式变换器的控制问题就转化成了普通逆变器的控制问题，这就能相对降低对矩阵变换器分析的难度，且控制过程容易实现。

　　图 2 给出了解结耦思想的控制原理波形图[6]，从图中可以很容易了解控制策略，图中给出了矩阵变换器左边桥臂四个开关管的驱动波形。忽略死区的情况下高频逆变桥S1、S4 的驱动波形与V1 相同，S2、S3 的驱动波形与V2 相同是锯齿波频率的二分之一，占空比为0.5 的方波信号。高频变压器传递的是高频的双极性高频方波信号，可知变压器的工作频率仍然是与高频逆变桥的开关频率相同，因此可以大大减小变压器和输出滤波环节的体积。逻辑如图3 所示，该逻辑在正组逆变器工作时(即矩阵变换器接收的正电压)，让负组逆变器的开关管全开通，同样当逆变器负组工作时，正组逆变器开通。

　　4.高频链矩阵式逆变器的单周期控制

　　通常基于单极性或者双极性的移相控制策略不能实现单周期控制，因为，单极性控制需要对SPWM 脉冲的下降沿进行分频控制，时钟脉冲并不能驱动开关管导通产生输出电压，积分器不可能产生积分作用，进而不能产生积分值与参考信号相等产生开关管关断信号，即下降沿不存在，分频电路无法工作，逆变器也就不能工作。双极性移相控制，同样需要上升沿分频信号而且还需要输出电感电流的逻辑信号，其载波由两个极性相反的锯齿波构成或者直接分频得到，都不能依靠积分信号控制开关的通断[7,8]。基于解结耦调制策略，把单周期控制可以应用到高频链逆变器控制中来，控制框图如图4 所示。

　　接下来，分析单周期控制的单闭环控制效果，系统的仿真参数：输入电压50V，输出电压250V，开关频率20kHz，滤波电感0.36mH，滤波电容60uF，额定负载40 欧姆。仿真结果如图5 所示，可见单周期控制逆变器的带负载能力不强，感性和容性负载，以及负载变化时都能引起电压或电流波动。针对此，本文在单周期环的基础上，增加输出电压/电容电流内环，改善单周期控制的带负载能力，取得很好的效果。输出电压及电容电流反馈，外环采用PI，内环采用P，为了增强带负载能力，电容电流的反馈Kif =0.6，其他不变，极点配置法确定仿真参数K1p =0.0216，K2 p =56.87，Ki =12145.83，所得结果如图5 所示。

　　从图 6 可以看出，在输入加上图6(d)所示的随机干扰后输出波形依然良好，从而说明所提控制方案是可行的。此外，在单周期控制的基础上，单纯增加输出电压PID 单环、或者增加输出电压及电感电流双闭环控制，以及增加带负载电流前馈的输出电压/电感电流前馈，均可以取得很好的控制效果。总体而言。双环的效果好于单环控制，双环都采用PI 调节器控制方案的控制效果好于外环PI 内环P的控制方案以及双环都采用P 调节器的方案。

　　4.结论

　　基于解结耦调制策略，把单周期控制应用到高频链逆变器控制中来，取得了较好的仿真效果。单周期控制的优势在于抑制逆变器直流输入侧的干扰，但其对负载侧的干扰的抑制能力不强。引进了输出电压及电感电流外环控制，以调节器的输出信号作为单周期控制的参考信号，仿真表明此控制方案既可以增强逆变器对直流输入的抗扰性，还可以改善逆变器的带负载能力。

　　参考文献

　　[1] Z Lai, K M.A Smedley general constant frequency

　　pulse-width modulator and its applications[J].

　　IEEE Transactions on Circuits and Systems I:

　　Fundamental Theory and Applications, IEEE,

　　1998, 45(4): 386-396

　　[2] 万蕴杰，周林，张海等.单周控制的发展及应用.高电

　　压技术，2007，33(4)：163-169.

　　[3] K. M. Smedley ，Slobodan Cuk .One Cycle Control of

　　Switching Converters.IEEE Trans. On Power Elect.

　　Vol.10. November 1995.pp:625-633

　　[4] 张纯江,赵清林,魏艳君,张秀红,单周期控制三相电压型