雙向電壓源高頻鏈逆變器原理及重復(fù)控制策略

l 引言

雙向電壓源高頻鏈逆變器具有雙向功率流，減少了功率變換級(jí)數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，但卻存在一個(gè)固有的缺點(diǎn)，即采用傳統(tǒng)PWM技術(shù)的輸出周波變換器換流時(shí)阻斷了高頻變壓器漏感中連續(xù)的能量，于是導(dǎo)致高頻變壓器和輸出周波變換器之間出現(xiàn)電壓過(guò)沖。因此，這類逆變器通常需要采用緩沖電路或有源電壓箝位電路來(lái)吸收存儲(chǔ)在漏感中的能量，從而增加了功率器件數(shù)和控制電路的復(fù)雜性。同時(shí)還要保證高頻變壓器在低頻交流信號(hào)的正負(fù)半周單極性往復(fù)工作中避免變壓器磁芯飽和，確保低頻交流信號(hào)被線性傳遞。

雙向電壓源高頻鏈逆變器因其變換效率高、功率密度大、易于用在大功率場(chǎng)合，目前是光伏逆變電源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。研究了基于電壓反饋的離散重復(fù)控制技術(shù)，分析了重復(fù)控制消除輸出電壓周期性波形畸變的原理。最后，應(yīng)用PSIM仿真軟件進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)，對(duì)關(guān)鍵的試驗(yàn)波形做出了分析。

2 逆變器主電路數(shù)學(xué)模型的建立

雙向電壓源高頻鏈逆變器原理圖如圖1所示。它是以Forward為基本單元。直流輸入電壓DC通過(guò)高頻逆變器逆變，在變壓器原邊得到高頻正負(fù)脈沖，通過(guò)高頻變壓器進(jìn)行變壓比調(diào)整和電氣隔離，變壓器副邊得到和原邊相位相同的高頻正負(fù)脈沖波，周波變換器對(duì)高頻脈沖進(jìn)行低頻解調(diào)，在輸出濾波電路兩端得到低頻交流脈沖電壓，再由濾波電路濾除高次諧波。

在高頻鏈逆變電源的主電路數(shù)學(xué)模型中，由于逆變器開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LC濾波器的振蕩頻率。所以逆變器的動(dòng)態(tài)特性主要由LC濾波器決定，可以將其等效為輸出LC濾波環(huán)節(jié)構(gòu)成的二階系統(tǒng)。設(shè)濾波電感為L(zhǎng)f，濾波電容為Cf，電容、電感以及其他的等效電阻為Rz：。逆變器的等效傳遞函數(shù)為：

采用零階保持器，并選擇合適的采樣周期T，可以將逆變器的等效傳遞函數(shù)離散化，得逆變器的離散化傳遞函數(shù)為：

實(shí)驗(yàn)主電路中，逆變器的載波頻率為10 kHz，考慮到輸出濾波器截止頻率為該頻率的1/10～1/5，選取Lf=2 mH，Cf=6μF，Rz=1 Ω。

利用MATLAB可求得系統(tǒng)傳遞函數(shù)的離散形式為：

逆變器的空載阻尼很小，在自然頻率處有較大的諧振峰值。PWM逆變器的輸出電壓誤差主要是由負(fù)載擾動(dòng)、直流側(cè)電壓波動(dòng)、死區(qū)效應(yīng)等因素引起。誤差頻率分量大多位于中低頻段，系統(tǒng)只要對(duì)這些中低頻誤差分量有較強(qiáng)的抑制能力。就可以大幅度地改善諸如諧波失真度(THD%)、電壓穩(wěn)態(tài)誤差等穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。

3 重復(fù)控制策略

重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制策略，其作用是當(dāng)輸入信號(hào)以基波周期重復(fù)出現(xiàn)，輸出對(duì)輸人信號(hào)的逐周期累加。重復(fù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包括重復(fù)控制器內(nèi)模、周期延時(shí)環(huán)節(jié)及補(bǔ)償器S(z)。

3.1 周期延時(shí)系數(shù)的選擇

每基波周期對(duì)輸出電壓的采樣次數(shù)，N=fc/f。其中fc為參考輸入基波頻率，f為載波頻率。

3.2 補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)

由被控系統(tǒng)P(z)幅頻特性曲線可知：在ω=4 564 rad/s處有一諧振尖峰。補(bǔ)償器S(z)用以消除該諧振峰。選取二階振蕩環(huán)節(jié)在中低頻段與P(z)對(duì)消，在高頻段急劇衰減，其中ζ=l，ωn=4 600。為了改善補(bǔ)償性能，設(shè)計(jì)中引入Notch函數(shù)

時(shí)對(duì)諧振尖峰起陷波作用。

3.3 zKKrQ(z)的設(shè)計(jì)

被控對(duì)象P(z)和補(bǔ)償器S(z)都存在著很大的相位滯后，所以采用相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)Zk進(jìn)行補(bǔ)償。Kr的取值范圍是O～1，類似一個(gè)比例控制器的功能。本例中，Kr取0.21可得到滿意的調(diào)節(jié)效果。

Q(z)應(yīng)為接近1的常數(shù)，當(dāng)Q(z)取小于1的常數(shù)時(shí)，使得原點(diǎn)為Q(z)端點(diǎn)的單位圓整體左移，可以保證系統(tǒng)在全頻段的穩(wěn)定性，本例中取經(jīng)驗(yàn)值0.95。

3.4 仿真實(shí)驗(yàn)

在阻性和阻感性負(fù)載條件下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，比較輸出電壓與參考輸入的波形結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3可以看出，引入重復(fù)控制器后，系統(tǒng)在阻性負(fù)載條件下，諧波含量少，輸出電壓波形正弦度好;相位上也與基準(zhǔn)電壓保持一致。由圖4看出。重復(fù)控制對(duì)于波形幅值的調(diào)節(jié)效果不如阻性負(fù)載時(shí)。但從結(jié)果也看出，引入重復(fù)控制后，相位調(diào)節(jié)效果好，輸出波形相位與輸入基準(zhǔn)基本保持一致，這一點(diǎn)給逆變器波形控制以及逆變器的并聯(lián)提供了一個(gè)有利條件。

4 結(jié)語(yǔ)

分析了逆變器領(lǐng)域常用的雙向電壓源高頻鏈逆變器的結(jié)構(gòu)和原理，研究了基于電壓反饋的離散重復(fù)控制技術(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，引入重復(fù)控制器后，系統(tǒng)輸出波形的諧波含量明顯減少，輸出電壓波形質(zhì)量大大提高;在相位的調(diào)節(jié)上效果更加明顯，使輸出波形能夠在相位上與輸入基準(zhǔn)保持一致，為逆變器的并聯(lián)提供了有利條件。