单相逆变器的单周期控制技术研究

本科毕业设计（论文）单相逆变器的单周期控制技术研究*燕 山 大 学2012年 6 月 本科毕业设计（论文）单相逆变器的单周期控制技术研究学院（系）：* 专 业：电气工程及其自动化 学生 姓名：* 学 号：* 指导 教师：* 答辩 日期：2012年6月17日 摘要摘 要逆变技术作为一种重要的电能变换技术已经广泛应用于交流电机调速、不间断电源、新能源开发等领域。单周控制（One-Cycle Control，OCC）作为一种新型的控制方式，由于响应快、自适应性强等优点，在各种电路拓扑中得到了广泛地应用。现阶段单周控制基本上都是采用模拟控制的方式，需要通过模拟电路来实现一个可以快速复位的积分器和一个稳定的积分常数，而采用数字控制方式来实现单周期控制不仅可以克服模拟单周期控制存在的一些缺点，还可以发挥数字控制的优势。首先本文针对数字控制自身的特点和优势，采用数字控制的方式来实现单周期控制，从而即可以很方便地实现积分复位和保证控制器的参数不随时间和环境的变化而变化，又可以充分利用数字控制在实时通讯、状态监测等方面的优势。其次本文主要研究了单相逆变器的数字单周期控制技术，根据单周期控制的基本思想研究了单周期控制单相全桥逆变器的数字算法，并对算法进行了仿真验证。关键词单周期控制，数字控制，单相逆变器，全桥逆变器I AbstractInverter technology has been widely applied in areas like AC motor drive control, uninterruptible power supply and new energy development as an important electrical energy conversion technology. One Cycle Control (OCC), as a new type of control method, has advantages of quick response and strong adaptability, and has been widely applied in a variety of topologies. At this stage One Cycle Control are based on the analog control, the analog circuits of rapid reset and constant coefficient integrator are need，or the digital one-cycle control can combine both advantages of one-cycle control and digital control.Firstly in this thesis, in connection with the characteristics and advantages of digital control, digital control is used to achieve OCC. Thus, it would be easy to achieve a rapid reset of integrator and a stable constant integrator coefficient and realize real-time communication and supervision. Secondly the digital one-cycle control technique for single-phase inverter is studied on the thesis. Based on the basic principle of one-cycle control, the digital one-cycle control algorithm for single-phase inverter is introduced, and the modeling and simulation verification are depicted as well.Keywords One-Cycle Control, Digital Control, Single-Phase Inverter Full-bridge inverter 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 电力电子技术及发展概述11.3电力电子技术的发展史4第2章 逆变器及其发展72.1 逆变电路72.2逆变技术发展过程与现状72.3逆变器的应用及分类82.4逆变电路的基本工作原理92.5 单相逆变电路92.5.1 单相半桥逆变电路92.5.2单相全桥逆变电路10本章小结12第3章 逆变器的主要控制技术133.1 PWM逆变器调制方法133.1.1 SPWM 技术133.1.2 SVPWM 技术133.2 PWM逆变器控制方式133.2.1 单闭环控制143.2.2 电压电流双闭环控制143.2.3 重复控制153.2.4 无差拍控制153.2.5 其他控制方式153.3 数字逆变器16本章小结17第4章 单周期控制技术194.1 单周期控制的基本原理194.2 单周期控制思想简单应用224.3 单周期控制电路中的开关误差自动补偿244.4 单周期控制技术在逆变器中的应用264.5 数字单周期控制技术26本章小结28第5章 单相逆变器的单周期控制技术研究295.1单周期控制全桥逆变器的原理295.2 单周期控制器的双极性控制315.2.1 模拟双极性控制315.2.2双极性控制算法365.3 单周期控制器的单极性控制375.3.1 模拟单极性控制375.3.2 单极性控制算法39本章小结40结论41参考文献43致谢45附录147附录253附录357附录461III第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景逆变器是完成 DC/AC 变换的电力电子装置，逆变器的应用非常广泛，不仅交流电动机和交流负载等需要逆变器供电，在很多直流电源变换系统中也需要用到逆变器，随着各行各业技术的发展，许多设备对电能质量要求越来越高，由电网直接提供的原始电能已经不能满足这些用电设备的需求，原始电能必须经过变换后才能给这些设备使用，在变换环节中通常都有逆变器。此外，在新能源和直流输电等系统中，逆变器都是其中的重要环节。对于逆变器的控制，模拟控制技术成熟，在各种电力电子装置的控制中占据较重席位，但是模拟控制存在元器件会老化，抗干扰能力差，不能满足智能化需求，升级产品复杂等问题，已经逐渐被数字控制取代。采用数字控制的优势在于其具有稳定性好，智能化程度高，易于维护，控制灵活，易于实现比较复杂的控制算法等优点，数字化是电力电子装置的发展趋势。单周控制技术是在20世纪90年代由KeyueM,Smedley和Slobodan Cuk 提出的一种新型PWM技术，其基本思想是通过对占空比的控制来控制开关量在一个开关周期内的平均值等于参考值。单周期控制技术是一种新型PWM技术，可应用于DC/DC变换器、功率因数校正、有源滤波等领域，在逆变器控制中也得到了应用。1.2 电力电子技术及发展概述电力电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体地说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。目前所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百MW甚至GW，也可以小到数瓦甚至1瓦以下。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。表1-1通常所用的电力有交流和直流两种。从公用电网直接得到的电力是交流的，从蓄电池和干电池得到的电力是直流的。从这些电源得到的电力往往不能直接满足要求，需要进行电力变换。如表1-1所示，电力变换通常可分为四大类，即交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变交流。交流变直流称为整流，直流变交流成为逆变。直流变交流是指一宗电压（或电流）的直流变为另一种电压（或电流）的直流，可用直流斩波电路实现。交流变交流可以是电压或电力的变换，称作交流电力控制，也可以是频率或相数的变换。进行上述电力变换的技术成为变流技术。通常把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。变流技术也称为电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。“变流”不只指交直流之间的变换，也包括上述的直流变直流和交流变交流的变换。如果没有晶闸管、电力晶体管等电力电子器件，也就没有电力电子技术，而电力电子技术主要用于电力变换。因此可以认为，电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础，而变流技术则是电力电子技术的核心。电力电子器件的制造技术的理论基础是半导体物理，而变流技术的理论基础是电路理论。图2-1 电力电子学的倒三角图1-2电力电子学（Power Electronics）这一名称是60年代出现的。1974年，美国的W.Newell用图1-2的倒三角型对电力电学进行了描述，认为电力电子学识由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术两个不同的角度来称呼的，其实际内容并没有很大的不同。电力电子技术和电子学的关系是显而易见的。如图2-1所示，电子学可分为电子器件和电子电路两大分支，这分别与电力电子器件和电力电子电路相对应。电力电子器件的制造技术和电力电子电路的理论基础是一样的，其大多数工艺也是相同的。特别是现代电力电子器件的制造大都使用集成电路制造工艺，采用微电子制造技术，许多设备都和微电子制造设备通用，这说明两者同根同源。电力电子电路和电力电路的许多分析方法也是一致的，只是两者应用目的不同，前者用于电力变换和控制，后者用于信息处理。广义而言，电子电路中的功率放大和功率输出部分也可算作电力电子电路。此外，电力电子电路广泛用于包括电视机、计算机在内的各种电子装置中，其电源部分都是电力电子电路。在信息电子技术中，半导体器件既可处于放大状态，也可处于开关状态；而在电力电子技术中为避免功率损耗过大，电力电子器件总是工作在开关状态这是电力电子技术的一个重要特征。电力电子技术广泛用于电气工程中，这就是电力电学和电力学的主要关系。“电力学”这个术语在我国已不太应用，这里可用“电工科学”或者“电气工程”取而代之。各种电力电子装置广泛用于高压直流输电、静止无功补偿、电机机车牵引、交直流电机传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程中，因此，通常把电力电子技术归属于电气工程学科。电力电子技术是电气工程学科中一个最为活跃的分支。电力电子技术的不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力，是保持电气工程活力的重要源泉。控制理论广泛应用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。另外，控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术。可以预见，在21世纪电力电技术仍是将以迅猛的速度发展。以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一，这是毫无疑问的。有人预言，电力电子技术和运动控制一起，将和计算技术共同成为未来科学技术的两大支柱。1.3电力电子技术的发展史电子技术是根据电子学的原理，运用电子器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学，包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。信息电子技术包括 Analog (模拟) 电子技术和 Digital (数字) 电子技术。电子技术是对电子信号进行处理的技术，处理的方式主要有：信号的发生、放大、滤波、转换。现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。1、整流器时代大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。2、逆变器时代七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。3、变频器时代进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。 5第2章 逆变器及其发展 第2章 逆变器及其发展2.1 逆变电路与整流相对应，把直流电变成交流电成为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变：当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。逆变电路经常和变频的概念联系在一起。变频电路有交交变频和交直变频两种形式。交直交变频电路由交直变换电路和直交变换电路两部分组成，前一部分属于整流，后一部分属于逆变。逆变电路的应用非常的广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。变流电路在工作中程中不断发生电源从一个支路向另一个支路转移，这就是换流，换流方式在逆变电路中占有突出的地位。逆变电路可以从不同的角度进行分类，如可以按换流方式分，按输出的相数分，也可以按直流电源性质分。若按直流电源的性质分，可分为电压型和电流型两大类。逆变电路在电力电子电路中占有十分突出的位置2。2.2逆变技术发展过程与现状1、逆变器的原理早在 1931 年就在相关文献中提到过，逆变技术的发展主要经历了以下三个阶段：(1) 第一阶段为逆变器的传统发展阶段，在这个阶段逆变器大多采用方波调制技术，逆变器的体积和重量大，效率比较低，输出电压波形改善大多通过采用多重叠加法来实现，在这个阶段，正弦波逆变技术开始出现；(2) 第二阶段为高频化新技术阶段，主要是在 PWM 技术基础上的发展，不同的 PWM 技术相继出现，逆变器的稳态性能和动态性能日益提高，正弦波逆变技术越来越完善；(3) 第三阶段为高效低污染阶段，这个阶段以逆变器的综合性能为主，高效环保的逆变技术开始出现。现代逆变技术不仅研究直流电能变换成交流电能的方式，还需研究如何提高逆变器的整体性能，如：提高输出波形的质量，提高系统的直流电压利用率，减小电磁干扰，降低开关损耗，提高系统的整体效率4等。2、现代逆变技术的研究内容主要有以下几个方向2：(1) 输出电压或电流波形正弦化技术，如 SPWM 技术、多电平技术等；(2) 降低开关损耗和减小电磁干扰的技术，如软开关技术等；(3) 减小逆变器体积和重量的技术，如内高频环技术等；(4) 提高直流电压利用率的技术，如 3 次谐波注入 PWM 技术、SVPWM 技术等；(5) 逆变器并联技术；(6) 智能化、绿色化逆变技术。2.3逆变器的应用及分类逆变器的应用非常广泛，不仅交流电动机和交流负载等需要逆变器供电，在很多直流电源变换系统中也需要用到逆变器，随着各行各业技术的发展，许多设备对电能质量要求越来越高，由电网直接提供的原始电能已经不能满足这些用电设备的需求，原始电能必须经过变换后才能给这些设备使用，在变换环节中通常都有逆变器56。此外，在新能源和直流输电等系统中，逆变器都是其中的重要环节6。在不同的场合需要用到不同类型的逆变器，逆变器可以按不同的方式进行分类6：按主电路的结构形式，可以分为半桥式、全桥式和推挽式逆变器；按输入直流电源的性质，可以分为电压源型逆变器和电流源型逆变器，目前实际应用的大多数是电压源型逆变器；按照输出电压相数，可以分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器，目前常用的为单相和三相逆变器；按波形调制方式可以分为方波型逆变器和 PWM 型逆变器，现在大量应用的逆变器中，大多都是PWM 型逆变器。逆变器的分类方式还有很多，这里不逐一叙述，本文研究对象为单相全桥结构的电压型 PWM 逆变器。2.4逆变电路的基本工作原理以图2-1a的单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理。图中S1S4是桥式电路的4个桥臂，他们由电力电子器件及其辅助电路组成。当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，为负，其波形如图2-1b所示。这样就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。这就是逆变电路的最基本的工作原理2。图2-1 单相桥式逆变电路2.5 单相逆变电路2.5.1 单相半桥逆变电路半桥逆变电路原理图如图2-2a所示，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。设开关器件和的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。当负载为感性时，其工作波形如图所示。输出电压为矩形波，其幅值为.输出电流波形随负载情况而异。设时刻以前为通态，为断态。时刻给关断信号，给开通信号，则关断，但感性负载中的电流不能立即改变方向，于是导通续流。当时刻降为零时，截至，开通，开始反向。同样，在时刻给关断信号，给开通信号后，关断，先导通续流，时刻才开通3。图2-2 单相半桥逆变电路半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少。其缺点是输出交流电压的幅值仅为，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器的电压平衡。因此，半桥电路常用于几KW以下的小功率逆变电源。2.5.2单相全桥逆变电路全桥逆变电路的原理图如图，它共有4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成，因此，正确分析半桥电路的工作原理非常有意义。把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180。相对于半桥逆变电路而言，全桥逆变电路的幅值高出一倍，在直流电压和负载相同的情况下，其输出的电流幅值也增加一倍。全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的，下面对其电压波形作定量分析。把幅值为的矩形波展开成傅里叶级数得： （2-1）图2-3 单相全桥逆变电路主电路其中基波的幅值和基波有效值分别为： （2-2）上述公式对于半桥逆变电路也是适用，只是式中的要换成。前面分析的都是为正负电压各180的脉冲时的情况。在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压。如图2-4的开环仿真图及波形：输入：输出：滤波电感：滤波电容：电阻：频率：图2-4 单相全桥逆变仿真电路及波形本章小结本章主要介绍了逆变电路的分类、原理及逆变器在现实生活中的重要应用。通过对逆变电路基本原理的学习可以让我们很好的理解逆变器的基本工作方式，这对于以后对逆变器控制的研究非常重要。26第3章 逆变器的主要控制技术 第3章 逆变器的主要控制技术3.1 PWM逆变器调制方法 目前，PWM逆变器的应用最为广泛，PWM逆变器常用的调制方法有SPWM技术和SVPWM技术。3.1.1 SPWM 技术SPWM 技术是目前应用比较广泛的一种 PWM 技术，它以正弦波作为调制波，高频三角波作为载波，通过比较调制波和载波来生成 PWM 波从而去控制开关管的通断，通过改变调制波的频率和幅值可以调节输出电压的频率和幅值，这是一种基本调制技术，概念清晰，易于实现，技术也比较成熟。在具体应用中，SPWM 技术又分为双极性 SPWM 技术和单极性 SPWM 技术。3.1.2 SVPWM 技术SVPWM 技术4最先用于电机控制中，从电动机的角度出发，研究如何使它获得幅值恒定的圆形旋转磁场，现在SVPWM技术已经发展成为一种重要的逆变器控制技术，常用于三相系统中。它的基本思想是利用逆变电路结构所能提供的所有开关模式进行线性组合来逼近期望输出的电压矢量，与SPWM技术相比，SVPWM技术具有直流电压利用率高、谐波含量低、数字化实现方便等优点，由于本文主要研究单相逆变器，对于SVPWM技术这里就不再赘述。3.2 PWM逆变器控制方式早期逆变器大多采用开环控制，控制比较简单，但是逆变器的稳态性能和动态性能受限，只适用于对电能质量要求不高的场合，在对电能质量要求较高的场合，必须采用闭环控制47，目前常用的逆变器闭环控制策略有以下几种：3.2.1 单闭环控制单环控制中最典型的是 PI 控制，但是采用 PI 控制时系统动态性能不够理想，PID 控制在一定程度上改善了 PI 控制的动态性能，PID 控制的结构也比较简单同时易于实现，参数也比较容易调整，是目前应用最广泛的一种控制方法，其结构框图如图3-1 所示，G(s)为被控对象，C(s)为 PID 调节器。PID 调节器由比例环节、积分环节和微分环节构成，比例环节反映系统的偏差，用于减小系统稳态误差；积分环节对误差进行积累，用于消除静差；微分环节反映偏差的变化趋势，用于改善系统动态响应性能。图3-1 单闭环PID控制3.2.2 电压电流双闭环控制如图3-2所示，在逆变器采用单电压环控制时，系统对负载的扰动抑制性能比较差，为了提高系统性能，在原有基础上加入了电流环，构成电压电流双闭环控制，其基本思想是：电压给定信号与电压反馈值的误差经过电压调节器后产生电流给定信号，电流给定信号与电流反馈值的误差经过电流调节器后与载波交截从而产生驱动，电流反馈信号通常采样电感电流或电容电流8。图3-2 电压电流双闭环控制框图3.2.3 重复控制为了消除非线性整流负载及其它周期性扰动，在逆变器控制中引入了重复控制。重复控制基于内模原理，内模原理的实质是将系统外部信号的模型引入闭环控制系统中来使得系统具有良好的指令跟踪能力和扰动抑制能力。重复控制中叠加了过去的偏差及上一采样周期该时刻的偏差，利用周期性扰动具有重复性这一规律来记忆扰动发生的位置，根据相应的控制规律来修正输出波形9。目前，重复控制在逆变器控制中得到应用，具有良好的稳态响应性能，但是其分析和设计方法滞后，动态性能还需进一步完善，重复控制一般与其它控制方式结合使用10。3.2.4 无差拍控制无差拍控制是基于电路数学模型的控制方法，它根据系统的状态方程和输出信号的反馈量来计算系统下一个采样周期的脉冲宽度。无差拍控制是一种实时控制策略，动态响应快，波形畸变小、质量好，但是控制效果受模型精度影响，对电路参数的变化比较敏感，系统的鲁棒性（对波动的敏感性）不强11。3.2.5 其他控制方式除了以上几种控制方式外还有滑模变结构控制、模糊控制、神经网络控制等，由于各种控制方式都有各自的优缺点，在很多时候需要采用多种控制策略复用以提高系统的整体性能，复合控制是逆变器控制的一个发展方向。3.3 数字逆变器随着微处理器的性能不断提高和成本不断下降，数字控制技术日益完善，在电力电子变换装置中，模拟控制已经逐渐被数字控制取代，数字化是电力电子装置发展的一个方向。与模拟控制相比，数字控制具有以下优势：(1) 系统不易受温度等外界环境影响，解决了模拟控制中器件老化的问题，系统的抗干扰能力强，可靠性高，稳定性好；(2) 系统电路结构简单，大大简化了硬件电路设计，系统的体积小，易于标准化；(3) 系统通用性强，比较灵活，可以在不改变硬件电路的情况下来实现多种控制方案；(4) 可以很方便地实现信息通信，使系统更加智能化，易于监测、方便维护，还可以实现系统的远程控制；(5) 易实现大规模电源系统并联运行；(6) 易于实现比较复杂和先进的控制策略。如今，以 DSP 为控制核心的数字电源技术成为了研究的热点，受到了很多高校、电力电子专业机构以及电源供应商的重视，国内外学者针对这方面的研究有很多。数字控制技术已经广泛应用于各个领域，有一些电源厂商开始逐步推出全数字化的电源产品，如大功率的不间断电源和通信电源。1、数字控制技术的发展主要表现在两个方面：一方面表现为高性能控制芯片的发展和应用，早期由于微处理器运算速度有限，电源大多采用模拟控制或者模拟和数字混合控制，而在混合控制系统中，系统的核心仍为模拟控制，随着微处理器性能的不断提高，电源的全数字化控制成为了现实，目前 TI、Motorola、Infineon 等公司都有专门用于电源控制的 DSP 芯片，其功能和性能在不断提升；另一方面表现为先进控制策略的发展和应用，许多先进的控制策略都是以高性能的 DSP 为基础的，如无差拍控制、重复控制、模糊控制等，这些控制策略的应用使得电源的整体性能得到了提高。2、数字控制在逆变器控制中已经得到了比较广泛的应用，逆变器采用数字控制可以利用数字控制的优势来提高系统的整体性能，数字化是逆变器发展的一个方向。逆变器并联运行是现代逆变技术的一个发展方向，采用逆变器并联技术可以提高系统的容量和系统的可靠性，逆变器模块的数字化控制是构成高性能逆变电源系统的重要基础，在逆变器模块采用数字控制后，模块之间可以方便地实现通信，从而解决各模块之间的环流抑制和功率均分等问题，从而构成高冗余度、高可靠的逆变电源并联供电系统。智能化也是逆变技术发展的一个方向，采用模拟控制是很难实现的，采用数字控制方式可以很方便地实现信息通信，易于实现逆变器的智能化。与模拟控制相比，数字控制有较多优势，但自身还存在一些问题，如：采样、量化过程会产生误差和延时，微处理器计算过程中会有延时和误差等，这些都会给系统带来不良影响；此外，数字离散化会给系统性能带来影响，有些传统的模拟控制方案通过数字实现时，其效果不如模拟控制，这些问题给数字控制电源的发展带来一些影响，但这也使得国内外学者针对这些问题进行了研究，使得电源的数字控制技术得到进一步的发展，目前国内外学者主要致力于两个方面的研究：(1) 发挥数字控制自身的优势，使用先进、有效的数字控制策略以提高系统的整体性能，如无差拍控制、重复控制、智能控制等；(2) 克服数字控制方式本身存在的一些问题，可采用性能较好的数字控制芯片、采用外扩高性能采样芯片来采集信号以减小系统的误差和延时，选用合适的 PWM 调制方式，采用预测超前一拍等控制来减小系统延时和误差产生的影响等。本章小结本章主要介绍了 PWM 逆变器的调制技术、控制策略，逆变器的数字控制技术，通过对这些控制策略的介绍可以了解逆变器的基本控制方法，对于后面所述的单周期控制方式有个很好的比较。第4章 单周期控制技术 第4章 单周期控制技术单周期控制技术是有美国学者Keyue M. Smedley 和Slobodan Cuk提出的一种新型大信号、非线性控制法。它利用开关变换器的脉冲调制和非线性特性实现了对实时电压和电流平均值的瞬时控制且动态响应快速对输入扰动抑制能力强12，采用单周期控制技术，可以有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷，同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿。由于与其它现有的PWM控制法相比，单周控制结构简单、响应速度块、稳定性好，可适应高精度、高速度和高抗干扰的控制要求，目前单周控制的应用已涉及到各种领域。现阶段单周控制器一般都采用模拟电路的方式来实现，这对可复位积分器中运放的选取，电容放电时间的控制都有很高的要求，而数字控制可以很方便地实现可复位积分器，并且采用数字控制技术可以很容易地实现通讯和实时的电源管理，本文主要研究如何从数字控制的角度来实现单周期控制。4.1 单周期控制的基本原理图4-1 单周期控制原理图及波形如图 4.1所示，为输入信号，y(t)为输出信号，S 为理想开关，当 S 的开关频率远大于 x(t)的频率带宽时，x(t)在一个开关周期内的值可以看成是不变的，则 y(t)在一个开关周期的平均值为： （4-1）式(4-1)中 为开关 S 驱动的占空比，可见输出信号y(t)在一个开关周期里的平均值是输入信号x(t)和占空比d(t)的乘积,所以开关是非线性的。通过对 d(t)的控制可以使得 y(t)在一个开关周期内的积分值等于参考值的积分值： （4-2）当采用恒频控制时，开关周期是常量，当参考信号频率带宽也远低于开关频率时y(t)的平均值就能在一个开关周期内得到瞬时控制，即当 S 的开关频率也远大于的频率带宽时可得： （4-3）由方程 4-3可见当积分器的积分系数取1/Ts 的时候y(t)的在一个开关周期里的平均值与输入信号x(t)无关只和参考信号有关可以对占空比进行这种调制的控制器就是单周控制器，由此可见单周控制器把非线性开关转换成了线性开关是一种非线性控制技术。恒频单周控制器原理图如图 4.2 所示，通过调制积分时间（即调制占空比）就可以保证控制器输入变量的平均值在一个开关周期里始终跟随参考值。如图 4-2 所示开关S 一旦由固定频率的时钟脉冲开通，RS 触发器Q 端输出高电平控制开关管开通，同时电容两端的开关断开积分器开始对输入信号进行积分，当积分值达到参考信号时，RS 触发器就复位，RS 触发器Q 端输出低电平控制开关管关断，同时积分器复位，准备下一个周期的积分这一个开关周期的占空比就由方程4.1 决定。图4-2 恒频单周期控制原理图及波形假设图中所有器件均为理想器件，时钟源的周期为Ts，积分器积分时间常数，在每个周期开始阶段，开关S由RS触发器触发导通，积分器开始工作，当积分值达到参考值时，比较器翻转,RS 触发器复位使得开关S关断，积分器复位，在刚好复位的时刻的值为： （4-4）输出信号 y(t)在一个开关周期的平均值为： （4-5）式(4-5)表明图 4-2所示电路可以控制 y(t)在一个开关周期的平均值等于参考值，可以实现单周期控制的基本思想。对于输入信号的扰动，开关输出信号的平均值暂的态过程在一个开关周期内就可以完成；对于负载的扰动，由于输入信号源存在内阻，因而开关输出信号的幅值也存在扰动，开关输出信号平均值的暂态过程在一个开关周期内也可完成。4.2 单周期控制思想简单应用单周期控制的控制思想可以用一个简单 Buck 电路为例加以说明：图 4-3为单周期控制的 Buck 降压电路，直流电压源 Vg，开关管 S（这里用MOS代替）工作，在开关频率（Ts 为开关周期）。当开关管开通时，二极管关断，二极管两端电压 等于电源电压。当开关管关断时，二极管导通，二极管上电压为其正向导通压降，可近视为零。电源电压通过功率管 S 的开关转换成了一个开关变量。输出的 LC 低通滤波器把此开关变量转换成有开关纹波的直流电压（大小为 ，为开关的占空比）。Buck 变换器的输出电压是开关变量的平均值Vs，也就是二极管上的电压平均值，它的大小为输入电压在整个开关周期内的积分，其值为：图4-3 单周期控制BUCK电路原理图 （4-6）Buck 电路这样的特性使我们发现，如果使用恒频转换器，在每个开关周期中，开关管开通时，对二极管上的电压进行积分，积分值和参考电压比较，当二极管上电压的积分值达到参考电压时，即，比较器输出信号给控制器，控制器发出信号去关断开关管，同时给出信号使积分器复位到零。如果参考电压是一个常数，则二极管的平均电压也是一个常数，输出电压同样是一个常数，如图 4-3 所示。积分器输出电压直接正比于输入电源电压，并和参考电压进行比较，当输入电压高时，积分器输出电压的上升斜率就陡，到达参考电压的所需时间就短，所以此周期的占空比就小，当电源电压低时，结果相反，占空比就大。如果参考电压是时间的函数，则二极管电压的平均值也会随时间变化且和参考电压在每个周期都相等。此可见，这样的控制方法，占空比完全决定于当前周期的状态，其值由下式决定： （4-7）它与以前的开关周期状态没有关系，开关变量的瞬态平均值是在一个周期之内的值，所以这种非线性的控制方法称单周期控制。公式（4-7）表示出了输入电压和参考电压之间的非线性关系，它们通过占空比联系在一起，通过这样的非线性转换，使得 Buck 电路的输出电压只和参考电压有线性关系，而与输入电压无关，如下式所示： （4-8）L 和 C 为电感电容滤波器，R 为负载。由此看来采用单周期控制技术，Buck 电路输出和输入无关，可以说系统完全抑制了输入电压的干扰。单周期控制技术的核心思想是在每一个开关周期内使受控量的平均值等于或正比于参考量。这样单周期控制技术可以扩展为通用的控制理论，它可以应用于任何形式的开关变换器。4.3 单周期控制电路中的开关误差自动补偿前面分析的结果都是基于转换电路的开关是理想的。在实际电路中，开关的开通和关断都是有时间的，并且有导通压降。在单周期控制电路中，只要积分器复位所需的时间远小于开关周期，这些开关误差会自动补偿。还是以图4-3所示的Buck电路为例，实际电路应用中的开关管存在开通时间和关断时间，二极管正向导通时有导通压降。积分器对开关管开通和关断瞬态及二极管导通和关断状态进行积分，如图4-4：图4-4 开关误差的补偿积分器的输出电压和参考电压进行比较，当积分器输出电压等于参考电压时，关断开关管。在一个开关周期内，即使存在开关误差，二极管上电压的平均值还是等于参考电压。积分器在每个周期都会进行复位，开关变量的瞬态变化只持续一个周期，所以开关变量的平均值和参考电压之间没有静态和动态的误差。单周期控制技术，这是一种非线性的大信号控制技术，动态控制开关变量的占空比，在一个周期内使开关变量的平均值等于或正比于参考电压。理论上讲，它完全排除了输入电压干扰的影响，开关变量输出的平均值在一个周期内跟随参考电压，开关误差在一个周期内自动补偿。单周期控制技术是十分通用的，它可以直接应用于脉宽调制、谐振、或软开关转化电路，既可以是电压控制型，又可以电流控制型，既可以连续模式，又可以断续模式。进一步说，它可以应用于控制任何一个开关变量形式或转换成开关变量形式的物理变量或抽象信号。4.4 单周期控制技术在逆变器中的应用单周期控制技术是一种新型PWM技术，可应用于DC/DC变换器、功率因数校正、有源滤波等领域，在逆变器控制中也得到了应用。文13对单周期控制单相全桥逆变器进行了研究，给出了双极性控制方式和单极性控制方式下的单周期控制电路，并进行了实验验证；文14提出了一种应用单周期控制技术实现光伏最大功率跟踪的控制方案，整个系统利用一个单级功率电路同时实现了最大功率跟踪和逆变，系统的整体结构比较简单；文15提出了一种改进型单周控制技术并应用于逆变电源中，对单周控制技术和 SPWM 技术进行比较，指出单周控制技术更加优越；文16中给出了单周期控制三相全桥并网逆变器的两种控制方案；文17论证了单周期控制技术应用于变速恒频风力发电中的可行性；文18指出单周期控制技术和SVPWM 控制技术在输出波形的质量上要明显优于一般的 SPWM 控制技术。4.5 数字单周期控制技术单周期控制一般用模拟电路来实现，也可以采用数字控制方式来实现。与采用模拟电路实现单周期控制相比，采用数字控制方式实现单周期控制有一定的优越性：(1) 采用模拟电路实现单周期控制时，积分器不能瞬时复位，这会给系统带来影响，采用数字控制方式可以避免这一问题；(2) 采用模拟电路实现单周期控制时，积分器的时间常数会受到外界的影响，这会给系统带来一定影响，在利用多个复位积分电路时，积分器的时间常数不一致同样也会给电路带来影响，采用数字方式实现单周期控制可以避免这些问题；(3) 采用数字方式实现单周期控制更加灵活，在推导出系统的占空比控制方程后，根据方程可编程实现数字算法；而采用模拟电路实现时需要对占空比的控制方程进行适当转化从而得到控制电路，而且在很多情况下控制电路的结构是比较复杂的；(4) 采用数字控制方式更容易与其它控制方式相结合，构成复合控制以提高系统整体性能；(5) 采用数字控制方式实现单周期控制还可以发挥数字控制的优势，如实现系统监测、故障诊断和远程控制等功能。然而采用数字方式实现单周期控制时也存在一些问题，数字控制的延时和误差会给系统的整体性能带来影响，这也是数字控制算法共有的问题。目前针对数字单周期控制技术已经有所研究，文19提出了一种数字控制光伏并网逆变器的设计方法，文20提出了数字单周期控制 Boost PFC 变换器和全桥逆变器的控制算法。文19以单相全桥并网逆变器为研究对象，建立了逆变器的单周开关数学模型，根据数学模型推导出了 PWM 调制的占空比表达式，根据占空比表达式实现了数字单周期控制算法，并设计了3KW的原理样机，在不同功率下进行了实验，实验结果验证了算法的可行性。文19中的控制算法需要测量一个开关周期内电感电流的平均值，文中指出在 PWM 波为中心对齐方式时，在一个周期中点处，电感电流的瞬时值就是这个周期内电感电流的平均值，利用 DSP 的同步采样功能可以设定采样点在一个周期的中心处，实现电感电流平均值的采样。文20以 Boost 变换器为研究对象，根据模拟单周期控制 Boost PFC 变换器的工作原理推导出数字单周期控制 Boost PFC 变换器的占空比方程，并对模拟单周期控制 Boost PFC 变换器的工作波形进行了分析，得出实现控制算法的关键是实现电感电流峰值的采样。文20利用了 DSP的同步采样功能实现了电感电流峰值的采样，实现了数字单周控制 Boost PFC 算法，并设计了300W 的原理样机对算法进行实验验证，实验结果验证了算法的可行性。文20也对单周期控制单相全桥逆变器进行了研究，推导得到了双极性控制方式下的占空比控制方程，实现了数字单周期控制算法，并设计了 400W 的原理样机对算法进行了实验验证，实验结果验证了算法的可行性。文19、20都是通过数字算法来实现对占空比的控制，与本文的基本思想是一致的。本文中单相逆变器的控制算法与文20有所不同。采用文20推导出的控制算法时，逆变器具有良好的动态性能和稳态性能，但是文20中的控制算法是在模拟单周期控制逆变器闭环工作的基础上推导得到的，所以该算法在一定程度上依赖于闭环调节器，逆变器采用该算法控制时，无法在开环情况下工作；本文直接从控制开关量平均值的角度出发，结合电路模型推导出了控制算法，思路相对要清晰一些，得到的控制算法与文20也不同，采用本文的控制算法时，逆变器同样具有良好的性能且可以在开环情况下运行。本章小结本章以Buck 电路为基础，详细讲述了单周期控制理论的基本原理，并把它扩展到了通用控制理论；推导了固定频率的单周期控制方程，并把它扩展到了通用模式工作条件下；此外介绍了单周期控制技术对开关误差的自动补偿；介绍了单周期控制在逆变器中的应用以及数字单周期控制的优越特性。第5章 单相逆变器单周期控制技术研究 第5章 单相逆变器的单周期控制技术研究逆变器的应用非常广泛，不仅交流电动机和交流负载等需要逆变器供电，在很多直流电源变换系统中也需要用到逆变器，随着各行各业技术的发展，许多设备对电能质量要求越来越高，由电网直接提供的原始电能已经不能满足这些用电设备的需求，原始电能必须经过变换后才能给这些设备使用，在变换环节中通常都有逆变器。此外，在新能源和直流输电等系统中，逆变器都是其中的重要环节，而全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。单周期控制技术的基本思想是通过对占空比的控制来控制开关变量在一个开关周期内的平均值等于参考值。所以本文着重研究了单相全桥逆变器的单周期控制技术。5.1单周期控制全桥逆变器的原理图5-1 单相全桥逆变器主电路图如图 5-1 所示为单相全桥逆变器的主电路，桥臂输出电压为，电感电流为Li ，输出电压为 ，输出电流为。为了方便研究，作如下假设：(1) 所有器件均为理想器件，忽略死区；(2) 开关频率远大于输出电压频率，在相邻几个开关周期输入电压和输出电压均保持不变。图5-2 全桥逆变器单周期控制框图根据单周期控制的基本原理需要控制在每个开关周期内的平均值等于输出电压的给定值，以使得输出电压很好地跟踪参考电压1315，采用模拟控制时可以利用积分复位电路来实现这一功能，为了改善系统的性能加入了电压调节器，系统的整体控制框图如图 5-2 所示，图中为输出电压的给定，为电压环输出。对图5-1所示的全桥逆变器主电路建立输出侧方程如下： （5-1）根据u 的定义可以得到代入方程5-1可以得到: （5-2）由于积分控制器控制控制在一个开关周期里的平均值与相同将方程5-2平均化处理可以得到: （5-3）由于电压环采用的是 PID 调节器其传递函数为:（5-4）同样对其平均化处理: （5-5）联立方程5-3 和5-5 并求取微分可以得到:（5-6）由方程 5-6 可以看到通过合理的选取PID 调节器的参数就可以保证输出电压很好地跟踪参考电压。单周控制器则有单极性和双极性两种控制方法下面对两种方法分别作分析。5.2 单周期控制器的双极性控制5.2.1 模拟双极性控制图5-3 双极性控制模式图为双极性控制方式下的单周控制器，主要由积分器、比较器、时钟 Clock 和 RS 触发器构成，时钟信号的周期为 Ts，积分器的时间常数 RC=Ts。a） Vref0图5-4 b）Vref0图5-4为双极性控制方式单周控制器运行波形示意图，图(a)为 大于 0 时波形示意图，图(b)为小于 0 时波形示意图。在每个周期的初始时刻，V1、V4导通，V2、V3关断，积分器开始积分；当Ve达到参考值时比较器输出翻转使得 RS 触发器复位，积分器瞬间复位后从零开始积分，此时 V1、V4关断，V2、V3导通, ，电路一直保持这个工作状态直到下一个时钟信号的到来。根据以上分析可以得: （5-7）则在一个开关周期内的平均值为：（5-8）由式(5-8)可知在一个开关周期内的平均值与参考值是相等的，达到了控制目标。对双极性模式采用 MATLAB 进行建模电路参数选取输入电压380VDC，输出电压220V/50Hz， 输出功率1000W ，滤波电感3mH ，滤波电容20uF，其主电路如下图所示：图5-5 双极性模式仿真框图图5-6 输出电流及电压波形积分波形如下图所示：图5-7 积分器积分波形024681012141618x 104-4-2024x 10-5积分30003200340036003800400000.511.52x 10-5放大桥臂管的驱动波形如下：图5-