電流跟蹤型兩態(tài)調(diào)制逆變器的仿真研究

趙水英 張翠俠 曹吉花

摘要：結(jié)合逆變電路的應(yīng)用，詳細(xì)闡述了電流跟蹤型滯環(huán)比較控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)逆變器的兩態(tài)調(diào)制.根據(jù)滯環(huán)比較器的控制思想，采用兩個(gè)比較器和觸發(fā)器完成了滯環(huán)比較控制的功能，通過(guò)觸發(fā)器輸出的高電平、低電平控制逆變器中功率變換開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷.應(yīng)用電流互感器實(shí)時(shí)采集交流側(cè)的電流，與給定電流控制信號(hào)比較求得偏差信號(hào)，再通過(guò)滯環(huán)比較器控制，進(jìn)而達(dá)到對(duì)電流閉環(huán)跟蹤控制的目的.并借助于PSIM仿真平臺(tái)搭建了模型，對(duì)不同參數(shù)情況下，進(jìn)行了仿真.仿真結(jié)果表明，通過(guò)改變滯環(huán)比較器的環(huán)寬、電抗器的電感大小，能夠直觀地得出滯環(huán)比較器的環(huán)寬、電抗器參數(shù)對(duì)跟蹤速度、跟蹤誤差的影響.

關(guān)鍵詞：電流跟蹤控制;兩態(tài)調(diào)制;逆變器;滯環(huán)比較

中圖分類號(hào)：TM461? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2020）02-0077-03

PWM控制技術(shù)在逆變電路控制中應(yīng)用比較廣泛，PWM控制方法包括計(jì)算法、調(diào)制法和跟蹤控制法.調(diào)制法又分為兩態(tài)調(diào)制和三態(tài)調(diào)制.其中，兩態(tài)調(diào)制（Two-State Modulation，簡(jiǎn)稱TSM）是1966年美國(guó)學(xué)者A.G.Bose提出的.所謂電流跟蹤型兩態(tài)調(diào)制是指利用一個(gè)閉環(huán)控制中的誤差滯環(huán)比較器，直接產(chǎn)生一個(gè)只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的PWM控制信號(hào)，以使輸出電流能自動(dòng)跟蹤控制指令[1].將TSM運(yùn)用于逆變電路控制時(shí)，如果控制指令電流波形為正弦波時(shí)，通過(guò)誤差滯環(huán)比較器的輸出就可以實(shí)現(xiàn)SPWM脈沖信號(hào)發(fā)生.也就是，把希望輸出的電流波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際輸出的電流波形作為反饋信號(hào)，通過(guò)兩者的瞬時(shí)值比較來(lái)決定逆變電路各功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷，使實(shí)際的輸出電流實(shí)時(shí)跟蹤指令信號(hào)的變化[2].這種控制方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）硬件電路簡(jiǎn)單;（2）屬于非線性閉環(huán)控制控制技術(shù)，實(shí)時(shí)性控制強(qiáng)，電流響應(yīng)速度快;（3）與調(diào)制法相比，不需要載波，輸出波形不含有特定頻率的諧波分量.

結(jié)合非線性逆變器的應(yīng)用，將電流跟蹤型滯環(huán)比較控制方式對(duì)逆變電路中的電力開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)逆變器的兩態(tài)調(diào)制.利用PSIM（Power Simulation，簡(jiǎn)稱PSIM）仿真平臺(tái)搭建模型，進(jìn)行仿真研究.通過(guò)比較器和觸發(fā)器的結(jié)合，完成滯環(huán)比較控制功能，以達(dá)到電流跟蹤控制的目的.并研究滯環(huán)寬度、電抗器參數(shù)等對(duì)電流跟蹤控制的影響.

1 電流跟蹤滯環(huán)比較控制思想

電流跟蹤PWM控制技術(shù)是功率變換電路中重要控制方法之一，其目的是將實(shí)際輸出電流時(shí)刻跟蹤指令電流的變化，將實(shí)際電流與希望輸出的給定電流之間的誤差限制在一定范圍內(nèi)[3].設(shè)計(jì)的電流跟蹤滯環(huán)比較控制模塊框圖如圖1所示，由比較器、觸發(fā)器、逆變器主電路、負(fù)載和電抗器構(gòu)成.其控制思路：利用電流互感器實(shí)時(shí)采集的負(fù)載輸出電流i與給定電流信號(hào)i*相減得到偏差信號(hào)e作為比較器的輸入，再與比較器的參考值△I比較，比較器的參考值即滯環(huán)比較器環(huán)寬的一半，比較器的輸出作為觸發(fā)器的輸入，通過(guò)觸發(fā)器的控制產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，進(jìn)而控制逆變器中全控器件IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷.當(dāng)電流偏差信號(hào)e>△I時(shí)，控制實(shí)際電流i增加;當(dāng)電流偏差信號(hào)e<-△I時(shí)，控制實(shí)際電流i減小.這樣，負(fù)載電流能夠在i*+△I和i*-△I范圍內(nèi)實(shí)時(shí)跟蹤給定指令電流信號(hào)的改變.通過(guò)環(huán)寬和電抗器參數(shù)的設(shè)定，改變電流跟蹤誤差大小、跟蹤速度和開(kāi)關(guān)頻率的高低[4-5].

2 半橋逆變電路的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

2.1 電流跟蹤型TSM控制結(jié)構(gòu)

逆變電路分為單相逆變電路和三相逆變電路，其中單相半橋逆變電路是基礎(chǔ)，三相逆變電路也是在半橋逆變電路的基礎(chǔ)上建立的，因此，本設(shè)計(jì)以單相半橋逆變電路控制為例進(jìn)行闡述.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用電流跟蹤兩態(tài)調(diào)制控制結(jié)構(gòu)如圖2所示.根據(jù)逆變器控制的目的，給定指令電流信號(hào)i*為正弦波信號(hào)，通過(guò)電流互感器實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流i，與給定電流i*比較，得到的偏差信號(hào)i*-i作為滯環(huán)比較器的輸入信號(hào)，利用滯環(huán)比較器的輸出控制全控型電力電子器件V1和V2的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而達(dá)到負(fù)載電流實(shí)時(shí)跟蹤給定指令電流的目的.具體控制規(guī)律：當(dāng)功率器件V1或VD1導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流i增大，負(fù)載輸出電壓u0=+Ud/2;當(dāng)V2或VD2導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流i減小，負(fù)載輸出電壓u0=-Ud/2.通過(guò)滯環(huán)比較器的控制，i就在一定范圍內(nèi)呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*.電流的變化率大小與負(fù)載串聯(lián)的電抗器L有關(guān)，L過(guò)大時(shí)，負(fù)載電流i的變化率較小，對(duì)給定指令電流跟蹤速度變，器件開(kāi)關(guān)頻率較低;反之，L過(guò)小時(shí)，負(fù)載電流i的變化率較大，對(duì)給定指令電流跟蹤速度快，器件開(kāi)關(guān)頻率較高.

2.2 電流跟蹤型半橋逆變電路的仿真

PSIM是美國(guó)Powersim公司研制的，具有用戶界面友好、仿真速度快、波形解析等功能，為電力電子電路的解析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究等有效提供強(qiáng)有力的仿真環(huán)境[6-7].由于PSIM具有強(qiáng)大的仿真引擎，PSIM高效的算法克服了其他多數(shù)仿真軟件的收斂失敗、仿真時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，因此，本系統(tǒng)采用PSIM作為仿真平臺(tái).

采用PSIM軟件搭建的單相半橋逆變電路仿真模型如圖3所示，功率器件采用全控型電力電子器件IGBT，控制電路采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤控制技術(shù).當(dāng)輸入直流電u=20V時(shí)，負(fù)載電阻R=0.1Ω，實(shí)際電流與給定電流最大偏差△I=±0.5，即環(huán)寬為1，電抗器L=10mH時(shí)，給定指令電流與輸出電流波形如圖4所示.藍(lán)色曲線代表給定指令電流信號(hào)I1，該波形為正弦波，紅色曲線代表半橋逆變器的輸出電流波形Io.通過(guò)仿真波形可以看出，輸出電流呈鋸齒狀跟蹤給定指令電流信號(hào)，跟蹤速度慢，跟蹤誤差大，開(kāi)關(guān)頻率低;如果在相同輸入、環(huán)寬和負(fù)載條件下，L減小10倍至1mH時(shí)，仿真波形如圖5所示，輸出電流跟蹤給定輸入電流的速度變快，因?yàn)殡娍蛊鱈變小，開(kāi)關(guān)頻率高，跟蹤速度變快.

當(dāng)改變環(huán)寬為0.1時(shí)，如果在相同輸入和負(fù)載條件下，電抗器L=10mH時(shí)，給定指令電流與輸出電流波形如圖6所示，輸出電流跟蹤輸入電流誤差小，跟蹤速度變快，開(kāi)關(guān)頻率高.在此基礎(chǔ)上，如果L減小10倍或100倍，即L分別為1mH或0.1mH時(shí)，仿真波形如圖7和圖8所示，L變小時(shí)，電流變化率變化過(guò)大，開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻率過(guò)高，也會(huì)影響跟蹤效果.因此，電抗器參數(shù)大小和滯環(huán)比較器環(huán)寬大小直接影響電流跟蹤控制的速度、跟蹤誤差大小和功率器件的開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)而決定逆變器的控制效果.

3 結(jié)束語(yǔ)

電流跟蹤型的滯環(huán)比較控制是一種非線性控制技術(shù)，應(yīng)用于逆變器的控制，不僅能夠完成將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的功能，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)控制性強(qiáng)、跟蹤速度快、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn).通過(guò)PSIM仿真分析，可知負(fù)載電流跟蹤給定指令信號(hào)速度的快慢，受電抗器參數(shù)與環(huán)寬大小的制約;環(huán)寬過(guò)寬時(shí)，電抗器感抗過(guò)大時(shí)，跟蹤速度較慢，跟蹤誤差大，開(kāi)關(guān)頻率低，開(kāi)關(guān)損耗小;環(huán)寬較窄時(shí)，電抗器感抗過(guò)小時(shí)，跟蹤速度較快，跟蹤誤差小，又可能會(huì)造成功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，開(kāi)關(guān)損耗大.因此，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用情況，選擇合適的參數(shù)是非常重要的.該控制方法不僅可以控制單相逆變器，還可以用于三相逆變器的控制，其波形與單相波形相同，不同之處在于每相波形之間互差120°.此外，也為其他非線性系統(tǒng)控制提供了有力參考.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕張興，黃海宏.電力電子技術(shù)（第二版）[M].北京：科學(xué)出版社，2018.

〔2〕王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)（第五版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

〔3〕趙鋼，邵廣時(shí).雙滯環(huán)空間矢量電流控制的三電平有源濾波器[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2018，30（04）：131-136.

〔4〕江友華，江相偉，錢(qián)彥，等.基于滯環(huán)控制的電氣化鐵路功率調(diào)節(jié)器的研究[J].電力電子技術(shù)，2018，52（03）：97-100.

〔5〕張墻，劉慧，孫濤，等.有源電力濾波器的PR+滯環(huán)電流控制策略研究[J].自動(dòng)化儀表，2019，40（01）：20-23.

〔6〕艾永樂(lè)，李帥.基于PSIM的單相H橋三電平性能研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2019，52（04）：337-343.

〔7〕柯奕辰，陳國(guó)初，許移慶，等.基于PSIM和MATLAB的電路聯(lián)合仿真[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2019（25）：92-95.