一种基于功率前馈的车载逆变器效率寻优控制方法

李 辉，胡根连，袁义生

（1.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000；2.华东交通大学 电气与自动化工程学院，江西 南昌 330013）

0 引言

两级式逆变器由于控制简单、输入电压范围大、前后级可以实现功率解耦等诸多优点，在动车组（如FXD1 型动车组）、电力机车单相逆变电源中得到了广泛的应用，电路结构如图1 所示。然而，这类产品由于设计门槛不高，通用技术较为成熟，在设计开发时主要对机械电气接口、空间尺寸及外形等方面做了大量工作，而对于产品技术先进性方面投入的精力较少。技术审查和试验发现，此类产品一般技术含量不高、效率较低。随着中国轨道交通装备的不断崛起，并逐步赶超世界先进水平，对车载电器设备的要求也越来越高。因此，对车载两级式逆变器在全工作范围内的效率提升技术研究显得十分有意义。

图1 两级式单相逆变器原理图

目前，为提升两级式逆变器工作效率，设计时主要对电路拓扑和控制策略进行优化两个方面，基本思路是通过单独研究前后电路的效率优化，进而达到整体优化的目的。但是，由于前后级电路是一个整体，仅仅从单个电路的角度出发无法根本达到系统级的效率优化。同时，当系统设计完成后，系统的效率也难以实现全输入电压范围、全负载范围的综合提升。

本文分析了车载逆变器的效率与中间母线电压的关联，功率前馈策略对于系统中间母线电压特性的改善，将实时调节母线电压的效率寻优化控制与功率前馈策略相结合，通过抑制中间母线电压的纹波和提高系统的动态性能可以大大拓宽Ub的调节范围，最终实现了逆变器的实时效率寻优控制。

1 车载逆变器效率与中间电压的关联

在传统的控制方法中，中间母线电压在控制上一般是维持不变的。但是，中间母线电压Ub对两级式逆变器前后级电路的损耗具有十分关键的影响。输入输出电压的波动带来了占空比的变化，也改变了流过各个器件的电流有效值，同时也改变了前后电感上纹波电流，进而影响了功率管的损耗和磁性器件的损耗。因为损耗的复杂性，占空比对损耗的影响也是相当复杂，很难从理论上得到一个精确值[1-2]。

所以，想预先设计一个最优的中间电压Ub，来得到综合效率最优的车载逆变器是不太现实的。因此，需要在一定范围内调整中间母线电压Ub值，以获得更好的工作效率。

2 基于功率前馈的前级电路控制方法

根据分析，为了拓宽效率优化的空间，就需要拓宽中间母线电压Ub的稳定工作范围。然后通过实时调节中间母线电压Ub可以达到对系统效率提升的目的。同时，受限于开关器件的电压等级、电路前后级的电压匹配以及成本等因素，对Ub的设置还需规定上、下限值。

在一个单相输出逆变器中，中间母线电压存在二次谐波的稳态纹波分量。投、卸载时中间母线电压也有下跌和上冲的动态分量。为了防止中间母线电压因过压或者欠压而触发保护，这些分量在一定程度上抑制了Ub的可调范围。为控制中间电压，比较传统的控制方式是采用电压外环而电流内环的方案。然而，这种控制方法的问题在于存在滞后性，即电流iin的响应干预是等到电压Ub出现波动之后，动态响应相对较差，这也限制了该电压的动态响应。

本文提出的功率前馈控制是将实时采集的逆变侧的瞬时输出功率与输入电压相除，进而得到瞬时电流iL’，随后将该电流值与前级的原电流内环值相加，作为电流内环的给定，如图2 所示。这样一来，当输出功率Po发生变化而压Ub还未波动前，通过iL’的作用及时作出调整，进而达到抑制了中间电压Ub波动的目的。所以，功率前馈控制算法的应用可以有效降低中间电压Ub的波动范围，拓宽稳态调整范围。

该控制策略继续调整软件，不需要新增其他硬件和设备，且能达到较好的预期。

图2 两级式逆变器控制框图

3 综合效率寻优控制

本文提出综合效率寻优控制方法是通过调整中间电压Ub，增加前级电路前馈控制的综合算法来提高Ub的稳态及动态响应，最终实现整个系统的综合效率最优化的控制方法[4]。

在控制上，中间电压的调整采用扰动Ub的方式实现系统效率的动态寻优，即控制系统实时计算系统工作效率，如果效率降低则在原有Uref基础上施加扰动量ΔU作为新的母线电压参考值。依此规律不停调整中间母线电压参考值实时调整了系统的效率，使得系统效率不断提高而得到效率最优化。寻优的边界条件是文中所述的中间母线电压达到最大限幅值或最小限幅值。电路工作原理如图3 所示。

4 实验及结果

为了验证综合效率寻优控制的有效性和正确性，搭建了一台1 kW 的样机进行测试，样机的输入电压为180 V，后级输出电压360 V。

通过图4 的试验波形对比可知，采用功率前馈控制策略能够更好的抑制中间电压Ub的谐波；负载突投时，中间电压Ub也表现出了较好的动态性能。这标明前馈控制可在一定程度上拓宽了Ub的调节范围。

图3 功率前馈寻优控制

图4 试验波形对比

通过图5 的施加扰动的试验波形对比可知，虽然传统控制和前馈控制均能使得系统效率趋于稳定，但是后者明显控制控制性能更佳，电压波动被限制在很小的范围，使得整机工作效率更优。

图5 施加扰动的试验波形对比

不同输出功率时的系统效率对比如图6 所示。

图6 工作效率对比

通过试验和分析，在额定负载下的扰动前的系统效率约为94.5%，而扰动后的系统效率提高到约95.4%，采用前馈功率寻优策略后的系统效率进一步提高到约95.8%。本文提出的综合的功率寻优控制方法可有效提高系统综合工作效率，证明了其有效性和正确性[3-4]。

5 结论

本文针对既有动车组、电力机车中常用的两级单相逆变器效率相对较低，控制相对粗放的问题，提出了逆变器功率前馈寻优控制方法，并通过实验证明了控制策略的正确性和有效性。本方案虽暂未投入批量运用，但是为进一步提高车载控制电源的技术含量和工作性能进行了前瞻性的探索。