电流跟踪型两态调制逆变器的仿真研究

赵水英 张翠侠 曹吉花

摘要：结合逆变电路的应用，详细阐述了电流跟踪型滞环比较控制方法，实现了对逆变器的两态调制.根据滞环比较器的控制思想，采用两个比较器和触发器完成了滞环比较控制的功能，通过触发器输出的高电平、低电平控制逆变器中功率变换开关的导通与关断.应用电流互感器实时采集交流侧的电流，与给定电流控制信号比较求得偏差信号，再通过滞环比较器控制，进而达到对电流闭环跟踪控制的目的.并借助于PSIM仿真平台搭建了模型，对不同参数情况下，进行了仿真.仿真结果表明，通过改变滞环比较器的环宽、电抗器的电感大小，能够直观地得出滞环比较器的环宽、电抗器参数对跟踪速度、跟踪误差的影响.

关键词：电流跟踪控制;两态调制;逆变器;滞环比较

中图分类号：TM461  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2020）02-0077-03

PWM控制技术在逆变电路控制中应用比较广泛，PWM控制方法包括计算法、调制法和跟踪控制法.调制法又分为两态调制和三态调制.其中，两态调制（Two-State Modulation，简称TSM）是1966年美国学者A.G.Bose提出的.所谓电流跟踪型两态调制是指利用一个闭环控制中的误差滞环比较器，直接产生一个只有高电平和低电平两种状态的PWM控制信号，以使输出电流能自动跟踪控制指令[1].将TSM运用于逆变电路控制时，如果控制指令电流波形为正弦波时，通过误差滞环比较器的输出就可以实现SPWM脉冲信号发生.也就是，把希望输出的电流波形作为指令信号，把实际输出的电流波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率开关器件的开通和关断，使实际的输出电流实时跟踪指令信号的变化[2].这种控制方法具有以下优点：（1）硬件电路简单;（2）属于非线性闭环控制控制技术，实时性控制强，电流响应速度快;（3）与调制法相比，不需要载波，输出波形不含有特定频率的谐波分量.

结合非线性逆变器的应用，将电流跟踪型滞环比较控制方式对逆变电路中的电力开关器件进行控制，实现逆变器的两态调制.利用PSIM（Power Simulation，简称PSIM）仿真平台搭建模型，进行仿真研究.通过比较器和触发器的结合，完成滞环比较控制功能，以达到电流跟踪控制的目的.并研究滞环宽度、电抗器参数等对电流跟踪控制的影响.

1 电流跟踪滞环比较控制思想

电流跟踪PWM控制技术是功率变换电路中重要控制方法之一，其目的是将实际输出电流时刻跟踪指令电流的变化，将实际电流与希望输出的给定电流之间的误差限制在一定范围内[3].设计的电流跟踪滞环比较控制模块框图如图1所示，由比较器、触发器、逆变器主电路、负载和电抗器构成.其控制思路：利用电流互感器实时采集的负载输出电流i与给定电流信号i*相减得到偏差信号e作为比较器的输入，再与比较器的参考值△I比较，比较器的参考值即滞环比较器环宽的一半，比较器的输出作为触发器的输入，通过触发器的控制产生PWM控制信号，进而控制逆变器中全控器件IGBT的开通与关断.当电流偏差信号e>△I时，控制实际电流i增加;当电流偏差信号e<-△I时，控制实际电流i减小.这样，负载电流能够在i*+△I和i*-△I范围内实时跟踪给定指令电流信号的改变.通过环宽和电抗器参数的设定，改变电流跟踪误差大小、跟踪速度和开关频率的高低[4-5].

2 半桥逆变电路的应用实现

2.1 电流跟踪型TSM控制结构

逆变电路分为单相逆变电路和三相逆变电路，其中单相半桥逆变电路是基础，三相逆变电路也是在半桥逆变电路的基础上建立的，因此，本设计以单相半桥逆变电路控制为例进行阐述.根据设计要求，采用电流跟踪两态调制控制结构如图2所示.根据逆变器控制的目的，给定指令电流信号i*为正弦波信号，通过电流互感器实时检测负载电流i，与给定电流i*比较，得到的偏差信号i*-i作为滞环比较器的输入信号，利用滞环比较器的输出控制全控型电力电子器件V1和V2的导通和关断，从而达到负载电流实时跟踪给定指令电流的目的.具体控制规律：当功率器件V1或VD1导通时，负载电流i增大，负载输出电压u0=+Ud/2;当V2或VD2导通时，负载电流i减小，负载输出电压u0=-Ud/2.通过滞环比较器的控制，i就在一定范围内呈锯齿状地跟踪指令电流i*.电流的变化率大小与负载串联的电抗器L有关，L过大时，负载电流i的变化率较小，对给定指令电流跟踪速度变，器件开关频率较低;反之，L过小时，负载电流i的变化率较大，对给定指令电流跟踪速度快，器件开关频率较高.

2.2 电流跟踪型半桥逆变电路的仿真

PSIM是美国Powersim公司研制的，具有用户界面友好、仿真速度快、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境[6-7].由于PSIM具有强大的仿真引擎，PSIM高效的算法克服了其他多数仿真软件的收敛失败、仿真时间长的问题，因此，本系统采用PSIM作为仿真平台.

采用PSIM软件搭建的单相半桥逆变电路仿真模型如图3所示，功率器件采用全控型电力电子器件IGBT，控制电路采用滞环比较方式的电流跟踪控制技术.当输入直流电u=20V时，负载电阻R=0.1Ω，实际电流与给定电流最大偏差△I=±0.5，即环宽为1，电抗器L=10mH时，给定指令电流与输出电流波形如图4所示.蓝色曲线代表给定指令电流信号I1，该波形为正弦波，红色曲线代表半桥逆变器的输出电流波形Io.通过仿真波形可以看出，输出电流呈锯齿状跟踪给定指令电流信号，跟踪速度慢，跟踪误差大，开关频率低;如果在相同输入、环宽和负载条件下，L减小10倍至1mH时，仿真波形如图5所示，输出电流跟踪给定输入电流的速度变快，因为电抗器L变小，开关频率高，跟踪速度变快.

当改变环宽为0.1时，如果在相同输入和负载条件下，电抗器L=10mH时，给定指令电流与输出电流波形如图6所示，输出电流跟踪输入电流误差小，跟踪速度变快，开关频率高.在此基础上，如果L减小10倍或100倍，即L分别为1mH或0.1mH时，仿真波形如图7和图8所示，L变小时，电流变化率变化過大，开关动作频率过高，也会影响跟踪效果.因此，电抗器参数大小和滞环比较器环宽大小直接影响电流跟踪控制的速度、跟踪误差大小和功率器件的开关频率，进而决定逆变器的控制效果.

3 结束语

电流跟踪型的滞环比较控制是一种非线性控制技术，应用于逆变器的控制，不仅能够完成将直流电转换为交流电的功能，而且具有结构简单、实时控制性强、跟踪速度快、鲁棒性好等优点.通过PSIM仿真分析，可知负载电流跟踪给定指令信号速度的快慢，受电抗器参数与环宽大小的制约;环宽过宽时，电抗器感抗过大时，跟踪速度较慢，跟踪误差大，开关频率低，开关损耗小;环宽较窄时，电抗器感抗过小时，跟踪速度较快，跟踪误差小，又可能会造成功率开关器件的开关频率过高，开关损耗大.因此，针对实际应用情况，选择合适的参数是非常重要的.该控制方法不仅可以控制单相逆变器，还可以用于三相逆变器的控制，其波形与单相波形相同，不同之处在于每相波形之间互差120°.此外，也为其他非线性系统控制提供了有力参考.

参考文献：

〔1〕张兴，黄海宏.电力电子技术（第二版）[M].北京：科学出版社，2018.

〔2〕王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）[M].北京：机械工业出版社，2009.

〔3〕赵钢，邵广时.双滞环空间矢量电流控制的三电平有源滤波器[J].电力系统及其自动化学报，2018，30（04）：131-136.

〔4〕江友华，江相伟，钱彦，等.基于滞环控制的电气化铁路功率调节器的研究[J].电力电子技术，2018，52（03）：97-100.

〔5〕张墙，刘慧，孙涛，等.有源电力滤波器的PR+滞环电流控制策略研究[J].自动化仪表，2019，40（01）：20-23.

〔6〕艾永乐，李帅.基于PSIM的单相H桥三电平性能研究[J].武汉大学学报（工学版），2019，52（04）：337-343.

〔7〕柯奕辰，陈国初，许移庆，等.基于PSIM和MATLAB的电路联合仿真[J].现代计算机，2019（25）：92-95.