《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于單周控制的三相橋式雙頻逆變器仿真研究
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2010年第8期
安樹懷,，王明渝，李 翀
重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400030
摘要： 研究了基于雙頻的三相橋式逆變器拓撲結(jié)構(gòu),，該拓撲由兩個傳統(tǒng)的三相橋式逆變器級聯(lián)而成,，其中一個工作在低頻狀態(tài)，另一個工作于高頻狀態(tài),，兩單元功能相對分離,。對高頻單元采用單周控制，對低頻單元采用電流滯環(huán)控制,，利用Matlab/Simulink建立了仿真模型,。仿真結(jié)果表明，該拓撲對降低開關(guān)損耗,、電流總諧波畸變率,、提高系統(tǒng)響應(yīng)速度具有很好的作用。
中圖分類號： TM464
文獻標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2010)08-0077-04
Simulative study on three phase bridge inverter with dual frequency based on one-cycle control
AN Shu Huai,，WANG Ming Yu,，LI Chong
State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology，Chongqing University, Chongqing 400030,，China
Abstract： Three-phase bridge inverter based on dual frequency is researched, which is cascade connected by two traditional three-phase bridge inverter. One works in the low-frequency state, the other one works in the high-frequency state, the functions of those two units are relatively separated. In this paper, one-cycle control is adopted to the high-frequency unit while the low-frequency unit is hysteresis current control. Matlab/Simulink is applied to establish a simulation model. The simulation results show that the typology has a good effect on reducing switching losses and total current harmonic distortion rate and can improve system’s response speed.
Key words : dual-frequency inverter,；motor speed control；one-cycle control,；current hysteresis control,；total harmonic distortion rate

    目前，伴隨著新能源的利用以及電機調(diào)速系統(tǒng)要求的提高,，新型逆變器已經(jīng)成為研究熱點,。為了提高電源系統(tǒng)的容量和可靠性，多臺逆變器級聯(lián)的電源系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用,。多個電源模塊級聯(lián)分擔(dān)負載功率,，使主電路開關(guān)器件電流應(yīng)力大大減小，功率密度大幅提高,，可從根本上提高可靠性,。為了提高波形質(zhì)量，提高功率等級,，主要采取3種方式[1-2]：(1)將容量小但開關(guān)速度相對較快的器件串聯(lián)或并聯(lián),，以達到容量和開關(guān)速度要求；(2)多臺獨立的小容量變換器并聯(lián)使用,，(3)尋求新的主電路拓撲,，如采用多電平級聯(lián)方案和多重化主電路實現(xiàn)大容量的變換器。參考文獻[3]中,，逆變器的并聯(lián)，在一定程度上提高了功率器件的能量等級，但由于傳統(tǒng)逆變器并聯(lián)存在器件的均壓,、均流問題,，使得控制復(fù)雜；參考文獻[4]提出了一種新型并網(wǎng)逆變器,，其結(jié)構(gòu)簡單,、易于控制，但逆變器開關(guān)管處于高頻開關(guān)狀態(tài),，增加了開關(guān)損耗,；參考文獻[5-6]提出了雙頻變換的思想，即系統(tǒng)由高頻單元和低頻單元共同構(gòu)成,，其中低頻單元對高頻單元進行分流,，傳輸大部分功率，而高頻單元傳輸小部分功率,，提高了系統(tǒng)的性能,。基于雙頻變換的思想,，本文研究了一種新型三相橋式雙頻逆變器的拓撲結(jié)構(gòu),，并進行理論分析提出其控制策略。
1 雙頻逆變器拓撲結(jié)構(gòu)及其控制策略
1.1 雙頻逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理
    三相橋式雙頻逆變器是在傳統(tǒng)三相橋式逆變電路的基礎(chǔ)上構(gòu)成的,，如圖1所示,。在該電路圖中，Sap~Scn屬于高頻逆變橋,，工作在高頻狀態(tài),；Slap~Slcn、Lla~Llc屬于低頻逆變橋,，且開關(guān)Slap~Slcn工作在低頻狀態(tài),。La、Ca,、Lb,、Cb、Lc,、Cc構(gòu)成雙頻逆變電路的濾波器,，Ra、Rb,、Rc為系統(tǒng)負載,。

    以A相橋臂為例對三相橋式雙頻逆變器進行分析，設(shè)fH=NfL,，即在低頻開關(guān)的1個周期內(nèi)包含著N個高頻開關(guān)狀態(tài)周期,。1個開關(guān)周期的高頻開關(guān)和低頻開關(guān)的狀態(tài)如表1所示，每種狀態(tài)所對應(yīng)的導(dǎo)通電路如圖2所示。

    同一橋臂上下開關(guān)互補導(dǎo)通,。在狀態(tài)1中,，高頻開關(guān)Sap導(dǎo)通，低頻開關(guān)Slap導(dǎo)通,。在所構(gòu)成的回路中,，電感電壓和電感電流有下列關(guān)系：
   
    由相同方法對其余3種狀態(tài)分別進行分析得到，電感La兩端電壓在Up-Uo與UN-Uo之間轉(zhuǎn)換,，其電流則相應(yīng)地出現(xiàn)上升狀態(tài)和下降狀態(tài)且電壓和電流不受低頻電路的影響,。而在低頻單元中，電感Lla兩端的電壓在UPN,、UNP和0三者之間轉(zhuǎn)換,，電感Lla的電流則相應(yīng)出現(xiàn)上升、下降和保持不變3種狀態(tài)(fH=4fL),，其波形如圖3所示,。因此采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗钥梢詫崿F(xiàn)高頻電感電流和低頻電感電流同時可控的效果，兩單元功能相對分離,，實現(xiàn)高頻單元和低頻單元之間的無環(huán)流運行,。

1.2 雙頻逆變器的控制策略
      對于三相橋式雙頻逆變器的高頻單元采用單周控制，低頻單元采用電流滯環(huán)控制,，首先對高頻單元的控制策略進行分析,。單周控制其通用性強，適用于各類電力電子功率變換裝置,，控制電路簡單,，具有優(yōu)良的控制性能。設(shè)x(t)為開關(guān)輸入信號,，y(t)為開關(guān)輸出信號,，定義開關(guān)函數(shù)k(t)如下：
 
在1個開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)導(dǎo)通時間為TON,，關(guān)斷時間為TOFF,，并且TON+TOFF=TS，fS=1/TS為開關(guān)頻率,，D=TON/TS為控制信號vref的調(diào)制占空比,，則開關(guān)輸入信號x(t)與開關(guān)輸出信號y(t)之間的關(guān)系為：
  
    利用單周控制原理[7]，式(8)可以得出雙頻逆變器高頻單元的控制電路如圖4所示,。

    在1個開關(guān)周期內(nèi)參考信號經(jīng)過一個PI調(diào)節(jié)器與采樣信號的積分進行比較,，比較器輸出到RS觸發(fā)器的R端，RS觸發(fā)器S端由時鐘脈沖控制,，通過RS觸發(fā)器來控制高頻單元各開關(guān),。當(dāng)進入下一個開關(guān)周期時,，積分器通過復(fù)位信號進行復(fù)位，然后重復(fù)上述工作狀態(tài),。雙頻逆變器的低頻單元傳輸大部分能量,，對高頻單元進行分流，采用電流滯環(huán)控制,，使低頻單元電流快速跟蹤高頻單元電流。低頻單元開關(guān)控制電路如圖5所示,。

2 雙頻逆變器的仿真分析
    本文基于Matlab/Simulink建立了仿真模型,，仿真參數(shù)設(shè)置如下：直流母線電壓Udc=600 V；濾波電感La=Lb=Lc=4 mH,；低頻單元電感為Lla=Llb=Llc=2 mH,；負載電阻Ra=Rb=Rc=5 Ω；濾波電容Ca=Cb=Cc=100 μF,；高頻單元工作頻率為10 kHz,，低頻單元工作頻率約為2 kHz，仿真結(jié)果如圖6~8所示,。圖6(a)為高頻開關(guān)電流波形,，圖6(b)為低頻開關(guān)電流波形，圖6(c)為展開后的高低頻開關(guān)電流波形,。在圖6(c)中給出了高低頻開關(guān)電流的幅值對比,，雖然高頻單元開關(guān)頻率很高，但是流過的開關(guān)電流很小,，損耗低,，而低頻單元開關(guān)電流很大，但其工作在低頻狀態(tài),，開關(guān)頻率僅為高頻單元的1/5,，因此雙頻逆變器大大降低了開關(guān)損耗。

    在0.06 s時將輸出參考電壓由幅值200 V,、頻率50 Hz突變?yōu)榉?00 V,、頻率25 Hz，圖7為系統(tǒng)輸出電流波形圖,。通過圖7可以得出輸出電流波形快速跟蹤參考電壓,，低頻逆變器單元傳輸大部分能量，而高頻單元流過少部分能量,，通過高頻單元和低頻單元電流的疊加后,，雙頻逆變器輸出的電流性能得到改善，因此在光伏并網(wǎng),、電機調(diào)速系統(tǒng)中可以利用雙頻逆變器的特點來提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng),。為了進一步說明雙頻逆變器的優(yōu)勢,，將雙頻逆變器與單個高頻逆變器各相測量值進行對比分析，結(jié)果如表2所示,。雙頻逆變器與高頻逆變器輸出電流的THD基本相同,，但是高頻逆變器開關(guān)工作在高頻狀態(tài)，開關(guān)電流大,，損耗高,；而雙頻逆變器的高頻單元電流很小，能量主要由低頻單元流過,，因此開關(guān)損耗比單個高頻逆變器開關(guān)損耗要低,。圖8為雙頻逆變器和高頻逆變器在100 V~200 V之間不同的6組電壓下的效率對比曲線，通過曲線可以發(fā)現(xiàn),，雙頻逆變器效率要明顯高于高頻逆變器的效率,。

    本文研究了三相橋式雙頻逆變電路，從理論分析了工作模態(tài)并得出其控制策略,。雙頻逆變器大大降低了開關(guān)損耗,，提高了輸出效率、輸出電流總的諧波畸變率,，輸出波形動態(tài)性能好,，并能夠快速跟蹤參考信號，通過仿真驗證了理論分析的正確性,。雙頻逆變器具有獨特的優(yōu)勢,，必將會在光伏并網(wǎng)以及電機的高性能調(diào)速等方面降低開關(guān)損耗，為提高系統(tǒng)動態(tài)性能提供一種新的解決思路,。
參考文獻
[1] 杜雄,，周雒維，侯世英,，等．雙頻三相功率因數(shù)校正[J]．中國電機工程學(xué)報,，2006，26（11）：109-114．
[2] IMECS M,，ANDRZEJ M T,，IINCZE I，et al．Vector control  schemes for tandem-converter fed induction motor drives[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,，2005,，20(2)：493-500．
[3] 方天治，阮新波,，肖嵐,，等．一種改進的分布式逆變器并聯(lián)控制策略[J]．中國電機工程學(xué)報，2008,，28（33）：30-36．
[4] PRASAD B S,，JAIN S,，AGARWA V．Universal single-stage grid-connected inverter[J]．IEEE Trans on Energy Conversion，2008,，23(1)：128-137．
[5] 周雒維,，杜雄，付志紅,，等．雙頻Buck 變換器[J]．中國電機工程學(xué)報,，2006，26（6）：68-72．
[6] 杜雄,，周雒維,，侯世英，等．雙頻三相功率因數(shù)校正[J]．中國電機工程學(xué)報,，2006，26(11)：109-114．
[7] SMEDLEY　K　M,，CUK S．One-cycle control of switching converters[J]．IEEE Trans on Power Electronics,，1995，10(6)：625-633．

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