基于内模及单周控制原理的变流器控制技术分析及讨论

高 潮

（深圳信息职业技术学院学报编辑部，广东 深圳 518172）

基于内模及单周控制原理的变流器控制技术分析及讨论

高 潮

（深圳信息职业技术学院学报编辑部，广东 深圳 518172）

根据内模原理的电力电子变流器及双级有源功率因数校正（PFC）技术的改进措施加以分析和论述。采用提高变流器工作频率的方法可以实现电路装置的小型化,以电力电子变流器作为电力接口的各种新能源发电单元，通过采取一系列针对性电路改进措施和基于集成软件平台的平面集成优化设计方法，以期获得高性价比和高功率密度的低压大电流谐振型开关变流器，达到变流器电路参数优化设计的实践意义和目的。文中分析和讨论了变流器的工作机理、控制方法及其试验分析。

内模；原理；谐振技术；相位补偿；电力电子变流器；AC/DC变换

对于有源功率因数校正AC/DC变流器系统而言，其电路拓扑一般都是指Boost PFC前置级和后随DC／DC功率变换级，电力电子变流器作为电力接口装臵被广泛地用于分布式发电单元中，成为集成不同发电单元到电力网的一个必不可少的组成部分，如图1所示。通过对恒幅矢量交流调压技术的理论研究和仿真分析，掌握其技术特征，分析各电力电子变换器的工作状态和特性，研究相应的控制技术和措施传统发电单元，如在恒定转速下工作的火力发电机组，能为电力网提 供频率稳定的交流电。而新能源发电单元，特别是可再生能源，非线性负载设备不同于线性负载设备，它与电力电子变流器构成的系统是非线性相位滞后系统，而且随着频率升高，闭环系统的相角滞后越大。电力电子变流器系统的相位滞后性将削弱控制器的控制效果，降低了整个系统的性能，带来诸如谐波、电压波动与闪变、三相不平衡等电能质量问题，在电力网运行的电力电子变 流器以及非线性负载会带来诸多电能质量问题。其中，谐波污染是最主要最严重的电能质量问题。

图1 电力电子变流器工作框图Fig.1 The working block-figume of power electric converter

抑制谐波的关键在于电力电子变流器能对电力波形实现精确控制，从而彻底消除其控制误差。常规的控制算法由于自身算法不足或算法复杂，以及非线性负载，参数变化和控制系统本身的相位延迟等因素，在实际应用当中无法对电力电子变流系统实现精确控制。比如，预测控制依据控制对象模型去预测控制系统输出。在已知控制对象的模型基础上，预测控制 能得到很高的稳态精度。基于成本函数的预测控制 的优势在于其能用一种简单的方法灵活地控制包含多个约束的变量。采用这种控制算法需要大量复杂的计算，占用大量处理器的资源。加上采样以及硬件中用于消除高频噪声的低通滤波器环节产生的延迟等因素，使实际输出明显滞后于参考输入。基于时间延迟补偿的预测控制能改善系统的性能，非线性负载以及闭环控制系统本身是大滞后系统等不确定因素，使预测控制难以达到预期的效果。内模原理只要能够将扰动信号的内模嵌入控制回路中，控制系统就能对该信号进行稳态无差跟踪或将之完全消除。由于理想的交流电力信号是标准的正弦基波，电力谐波则主要由频率为基波倍频的正弦信号构成，因此若能根据电力电子变流器系统输出正弦基波的具体要求，将基波和/或谐波的内模嵌入控制回路之中，就能够实现对电力电子接口的交流输出进行稳态无差跟踪控制。

1 基于单周相位补偿控制技术及单周控制变流器原理

单周控制是一种非线性控制技术，重复控制器的“分散”相位补偿技术，常规重复控制器是通过构造某一个周期信号的内模，实现对该信号的基波及其谐波精确跟踪和/或强力抑制。大多数电力电子变流器所接负载是特定负载，而特定负载产生的谐波是特定次谐波，如单相逆变器接整流器负载产生的谐波主要含有 三相逆变器所接整流器负载产生的谐波是主要含有 谐波等。众所周知，由于参数变化、非线性负载、采样计算延迟等不确定的因素，以数学形式表达出的相位补偿器在实际应用中，只能对低频段的某几个频率点实现近似零相位补偿，因此，重复控制系统性能提升受限。针对特定 次谐波重复控制，如 谐波重复控制和 谐波重复控制，研究精确补偿特定次谐波频率的相位或仅精确补偿在低频段的特定次谐波频率的相位，以期实现“零相位”的补偿效果，从而扩大重复控制系统的稳定范围和提高重复控制系统的稳态精度。具有算法简单等优点的常规重复控制器能对某一周期信号的基波及其谐波实现静态无差控制，因此具有“广谱”特性，但存在动态响应速度慢 以及占用内存大等问题。具有收敛速度快等优点的特定次谐波重复控制器能对某一周期信号的基波及特定次谐波实现静态无差控制，谐振控制器的相位补偿技术理论研究在谐振频率处，谐振控制器具有无限大的幅值增益和极窄的带宽等特性。当采用某些数字离散化方法，以及开关功率管在零电流条件下进行导通及关断出现零极点发生偏移 时，谐振控制器的零极点校正技术谐振控制器只能对某一频率的正弦信号实现控制。因此这种特性决定了对多个正弦信号进行跟踪和抑制时，需要多个谐振控 制器并联使用。然而，在实际应用时发现，当谐振频率为高阶频率的谐振控制器作用于控制系统时，系统容易不稳定。因此，多谐振控制难以进一步提高谐振控制系统的性能。闭环系统相位滞后严重制约谐振系统的性能提升，甚至恶化系统性能或造成系统失控。相位补偿谐振控制技术对于提高滞后闭环系统的稳定性以及提升控制精度有着重要的作用。

图2 单周控制技术的AC/DC-PFC变流器系统框图Fig.2 The one cycle control technology of AC/DC converter

当开关Q1和Q2的占空比d1和d2的关系为d1≥d2时，主电路的工作情况如图3所示，按照上述推导方法，仍可得到式（8）和式（9）。

由此可知输入电流的有效值为：

其中，D1和D2分别为稳态时开关Q1和Q2的平均占空比，且

图3 输入电压和输入电流波形Fig.3 The input voltage wave of converter

图4 电流iL和iLf的波形Fig.4 The convent wave of iLand iLf

2 基于内模原理的重复控制器分析及讨论

图5 基于内模原理的结构框图Fig.5 The working diagram based on internal model principle

谐振控制系统的系统稳定性判据和静态无差判据、以及完整的谐振控制器的设计方法；进行控制系统的稳定性分析；同时，进行电力电子变流控制系统的仿真，分析构建基于 DSP 平台的电力电子变流系的实验装置，用整流器负载等非线性负载作为无源负载测试基于内模原理的控制器在克服负载扰动以及参数不确定性方面的能力，基于滞后电力电子变流器系统的相位补偿控制方案是采用一种复合控制方案，常规反馈控制器 K 作为一般反馈作用于 电力电子变流器，而重复控制器/谐振控制器作为前馈控制 器作用于电力电子变流器。一般反馈控制器具有动态响应快但稳态控制精快等优点。相位补偿用于补偿整个闭环系统的相位滞后，提高重复/谐振控制系统的性能。图中给出的是一种相位补偿控制方案。

单内模的重复控制器的相位补偿控制方案，用于滤除进入内模环节的高频谐波，平衡系统的稳定性和系统性能；根据输出电压控制过程的需要，再一次导通，这时电路又重新处于L1Cr谐振状态。在t=t3时，电容电压VC达到峰值VC＝Vcmax，电感电流IL1＝IO，此时辅助开关Ta关断，所给的控制方案是“分散”相位补偿控制方案。可见n模的重复控制器的输出延迟拍数为N/n，而图6所示的单内模的重复控制器的输出延迟拍数为 N。在输出比较上，n模的重复控制器要快于单内模重复控制器的n倍。

图6 改进型PFC开关变流器输入电压和输入电感电流试验波形Fig.6 The voltage and current of PFC switching converter

3 结论

有源功率因数校正电路在电力电子变换装置中的应用已取得了许多进展，单周控制是一种非线性控制技术，同时具有调制和控制的双重性。设计和采用单周控制技术AC/DC变流器的基本思想是在每一个开关周期内使其受控量的平均值恰好等于或者正比于控制参考量，因此，重复控制系统性能提升受限。PFC变流器具有结构简单、控制精度高、响应速度快，特别是具有控制性能对系统和电源参数变化不敏感等优点。这对于双级PFC 电路的推广应用具有积极促进作用。

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Analysis and exploration on the converter control technology based on internal model and one-cycle control principle

GAO Chao
（Journal Editorial Department, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172 P.R. China)

According to the disadvantages of high switching pressure and output voltage of single-phase CCM Boost power factor correction (P FC) converter, this paper presents CCM Boost PFC converter with active floating charge landing. This type of one-cycle control PFC converter has such advantages as simple structure, high control precision, quick response time, and especially, non-sensitivity of its control perforamce to changes of system and power supply parameters. The proposed AC/DC switching converter significantly helps improve the converter efficiency and its power factor value.

internal model principle; resonance oscillation technology; power factor correction；electrical power converter; AC/DC switching

TM46

：A

1672-6332（2017）01-0078-04

【责任编辑：杨立衡】

2015-12-21

高潮（1958-），男（汉），四川仁寿人，博士，教授，主要研究方向：半导体材料和器件及光机电一体化。E-mail：gaoc@sziit.com.cn