具有極性反轉(zhuǎn)逆變橋的隔離Buck-Boost型逆變器

石昊彥，江加輝，陳道煉

(青島大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071)

0 引 言

光伏、風(fēng)能、燃料電池等新能源的開發(fā)和利用越來越受到人們的重視。逆變器作為新能源發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，其性能優(yōu)良，對(duì)于提高新能源的利用率起到了至關(guān)重要的作用。因此，逆變器一直是電力電子學(xué)和新能源發(fā)電領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[1-4]。

傳統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器多為兩級(jí)式，文獻(xiàn)[5-6]論述的兩級(jí)式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，但存在兩級(jí)功率變換、體積重量大，成本高等不足。為了減少功率變換級(jí)數(shù)，提高變換效率，人們開展了許多有意義的研究工作。文獻(xiàn)[7]論述了基于LLC諧振變換器的準(zhǔn)單級(jí)式變換器，將高效率的LLC諧振變換器引入此結(jié)構(gòu)，但存在控制復(fù)雜、成本高等問題；文獻(xiàn)[8]論述了一種準(zhǔn)單級(jí)差動(dòng)雙向反激直流變換器型逆變器，存在環(huán)流、變換效率不理想、輸出電壓控制不精確的缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，提高輸出波形質(zhì)量，學(xué)者進(jìn)行了一系列探索。

針對(duì)以上的不足，本文提出了一種具有極性反轉(zhuǎn)逆變橋的隔離Buck-Boost型逆變器，該拓?fù)渚哂休敵霾ㄐ钨|(zhì)量高、帶載性能好、變換效率高、可靠性高等優(yōu)良性能，是一種小容量逆變電源的優(yōu)良方案。

1 電路拓?fù)?/h2>

該電路拓?fù)涫怯呻p向隔離Buck-Boost直流變換器和極性反轉(zhuǎn)逆變橋構(gòu)成，屬于準(zhǔn)單級(jí)功率變換，如圖1(a)所示。該逆變器將輸入的不穩(wěn)定直流電壓經(jīng)直流變換器和極性反轉(zhuǎn)橋變換為穩(wěn)定的工頻正弦交流電壓。

圖1 具有極性反轉(zhuǎn)逆變橋的隔離Buck-Boost型逆變器

2 復(fù)合控制策略

2.1 小信號(hào)模型

該逆變器在一個(gè)高頻開關(guān)周期的等效電路，如圖2所示，對(duì)于變壓器的原邊等效電阻以及開關(guān)管S1的導(dǎo)通電阻用r1表示，副邊等效電阻和開關(guān)管S2的導(dǎo)通電阻用r2表示，勵(lì)磁電感Lm與變比為N1/N2的變壓器并聯(lián)。

根據(jù)正半周的等效電路并利用狀態(tài)空間平均法進(jìn)行小信號(hào)建模，可得該逆變器在電流連續(xù)工作模式下的傳遞函數(shù)G(s)為

(1)

其中，ILm=nUo/[RL(1-D)]

2.2 控制策略

為了使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差降到合適的范圍并且能夠有效地升高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，本文在對(duì)等效電路綜合分析的基礎(chǔ)上提出了一種具有PI、前饋、重復(fù)控制策略，如圖3所示。

圖3(a)中，Grc(s)為重復(fù)調(diào)節(jié)器、Gff(s)為前饋調(diào)節(jié)器、Gpi(s)為PI調(diào)節(jié)器，將uo、ui和基準(zhǔn)信號(hào)ur經(jīng)Gff、Gpi和Grc比較運(yùn)算，得到控制信號(hào)ue，ue與單極性三角載波uc交截得到功率開關(guān)控制信號(hào)。

3 復(fù)合控制器設(shè)計(jì)

3.1 前饋調(diào)節(jié)器Gff設(shè)計(jì)

圖3(a)中輸出電壓Uo(s)可表示為

(2)

若將前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)為

Gff(s)=1/G(s)

(3)

式(2)可以簡(jiǎn)化為

Uo(s)=Ur(s)

(4)

根據(jù)式(2)～(4)可知，Uo可以在任何時(shí)刻將輸入量Ur重現(xiàn)出來，具有比較好的響應(yīng)特性。然而，反激逆變器在連續(xù)電流工作模式時(shí)，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s)實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償困難。因此，在設(shè)計(jì)Gff時(shí)為使形式簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，只需僅在低頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)近似全補(bǔ)償。電流CCM的反激變換器穩(wěn)態(tài)占空比為

D=Uo/(Uo+nUi)

(5)

設(shè)計(jì)前饋調(diào)節(jié)器Gff，使得

Uef=Ur/(Ur+nUi)

(6)

在理想狀態(tài)下，前饋調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)誤差全補(bǔ)償。但由于電路中的寄生參數(shù)，故根據(jù)以上各式得出的Gff不足以將誤差完全補(bǔ)償，需要繼續(xù)補(bǔ)償，才能讓系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度以及帶載能力達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期的范圍之內(nèi)。

圖3 前饋、PI和復(fù)合控制系統(tǒng)框圖

3.2 PI調(diào)節(jié)器Gpi設(shè)計(jì)

該逆變器在采用PI調(diào)節(jié)后，能夠在前饋控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步使穩(wěn)態(tài)誤差得到補(bǔ)償。

設(shè)計(jì)輸入電壓Ui=110 V，輸出電壓Uo=220 V，勵(lì)磁電感Lm=535.8 μH，濾波電容Cf=9 μF，負(fù)載RL=96.8 Ω，儲(chǔ)能式變壓器匝比n=N2/N1=78/63，r1=0.39 Ω、r2=0.48 Ω，占空比D=0.52，比例積分調(diào)節(jié)器kp=0.00012，ki=1.1，將以上各數(shù)據(jù)代入式(2)，可得逆變器的開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)為

(7)

在利用Gpi調(diào)節(jié)后，補(bǔ)償特性如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)在PI補(bǔ)償前、后的開環(huán)頻率特性

根據(jù)圖4可得，使用PI調(diào)節(jié)前系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的相角裕度為-87.1°，由此可知，系統(tǒng)難以維持穩(wěn)定狀態(tài)；但在采用PI調(diào)節(jié)后系統(tǒng)的G0(s)為

(8)

系統(tǒng)在利用PI調(diào)節(jié)器補(bǔ)償后，根據(jù)式(8)可得G(s)為89.1°，符合要求。

3.3 重復(fù)控制調(diào)節(jié)器Grc設(shè)計(jì)

所謂重復(fù)控制是基于內(nèi)模原理的一種控制方法，能夠使該內(nèi)部模型很好地描述系統(tǒng)外部信號(hào)特性，具有較強(qiáng)的擾動(dòng)抑制能力。

C(z)的頻域傳遞函數(shù)為

(9)

將C(s)的截止頻率設(shè)在200 Hz，ζ=0.7，采樣頻率fs=50 kHz，采用Tustin變換離散化可得

(10)

當(dāng)kp=0.00012，ki=1.1時(shí)，可得重復(fù)控制器的等效控制對(duì)象為

Cp(z)=

(11)

補(bǔ)償后的波特圖如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，所采用的重復(fù)控制調(diào)節(jié)器Grc能夠讓系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度以及帶載能力達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期的范圍之內(nèi)。

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：樣機(jī)的容量S=500 VA，輸入電壓Ui=110 V，輸出電壓Uo=220 V/50 Hz，負(fù)載功率因數(shù)為-0.75～0.75，開關(guān)頻率fs=50 kHz，變壓器的原邊電感Lm=535.8H、變比N2/N1=78/63、磁芯選用NPH184060，Cf=9F，S1選用STB45N40DM2，S2選用IPB65R190CFD，S3～S6選用SPB21N50C3，設(shè)計(jì)的500 VA 110 VDC/220 V 50 HzAC具有極性反轉(zhuǎn)逆變橋的隔離Buck-Boost型逆變器的實(shí)驗(yàn)波形圖如圖6所示。圖6(a)、(b)、(c)依次為阻性負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載的輸出波形，(d)為非線性負(fù)載時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形圖。

圖5 系統(tǒng)補(bǔ)償前、后的開環(huán)頻率特性

圖6 樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)波形

圖6實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)逆變器輸出電壓uo為220 V 50 Hz的正弦波，線性負(fù)載下和在非線性負(fù)載下電壓的諧波失真度依次是0.69%、0.71%、1.08%、0.95%，如圖6(a)～(d)；(2)有源嵌位電路有效地抑制了S1的關(guān)斷尖峰，如圖6(e)～(f)所示；(3)RC緩沖有效抑制了副邊開關(guān)管的尖峰，如圖6(g)～(h)所示。功率開關(guān)S3-6工作在低頻模式，開關(guān)損耗低，如圖6(i)～(j)。

逆變器樣機(jī)在額定輸入電壓和不同負(fù)載下的變換效率，如圖7所示。

圖7 樣機(jī)在不同負(fù)載下的變換效率

綜上所述，采用前饋、PI和重復(fù)控制相結(jié)合的具有極性反轉(zhuǎn)逆變橋的隔離Buck-Boost型逆變器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、成本低、準(zhǔn)單級(jí)功率變換、變換效率高、輸出波形質(zhì)量高、帶載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié) 論

(1)具有極性反轉(zhuǎn)逆變橋的隔離Buck-Boost型逆變器是由雙向隔離Buck-Boost型直流變換器和極性反轉(zhuǎn)橋構(gòu)成。

(2)采用前饋控制能夠降低穩(wěn)態(tài)誤差對(duì)系統(tǒng)的影響，起到及時(shí)克服干擾的作用；采用比例積分調(diào)節(jié)能夠使系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的相角裕度由-87.1°變?yōu)?9.1°，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高；采用重復(fù)控制后，逆變器在額定阻性負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載和非線性負(fù)載下的效率依次為91.94%、93.05%、87.64%、89.09%，逆變器的帶載能力得到了較大的提高，并且使系統(tǒng)能夠無靜差地跟隨輸入信號(hào)，具有較強(qiáng)的擾動(dòng)抑制能力。

(3)500 VA 110 VDC/220 V 50 HzAC樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，其具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、成本低、準(zhǔn)單級(jí)功率變換、變換效率高、輸出波形質(zhì)量高、帶載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。