盧德祥，王武，蔡逢煌

(福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116)

預(yù)測(cè)電流控制雙開關(guān)型雙Buck并網(wǎng)逆變器

盧德祥，王武，蔡逢煌

(福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116)

雙Buck逆變器具有可靠性和效率高的優(yōu)點(diǎn)，常被用作新能源發(fā)電和不間斷電源的解決方案。雙Buck逆變器存在輸入電壓高、雙極性調(diào)制的缺點(diǎn)，采用雙開關(guān)型雙Buck逆變器消除這些不足，雙開關(guān)型雙Buck逆變器主要采用滯環(huán)電流變頻控制，諧波頻譜寬、濾波器設(shè)計(jì)困難，對(duì)功率器件的開關(guān)速度要求高；為此，采用SPWM控制方式實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)，使諧波頻譜固定易濾除；同時(shí)通過(guò)預(yù)測(cè)電流控制策略消除電網(wǎng)電壓擾動(dòng)，提高逆變器的性能。最后通過(guò)PSIM仿真驗(yàn)證了理論分析與設(shè)計(jì)的可行性。

預(yù)測(cè)電流控制;雙Buck逆變器;并網(wǎng)逆變器;仿真;可靠性

Abstract: Dual-buck inverter, characterized by its high reliability and efficiency, is used as solution of new energy generation and uninterrupted power supply. The dual-buck inverter’s disadvantages of high input voltage and bipolar modulation can be eliminated through adoption of the two-switch dual-buck inverter with hysteresis current frequency control and wide harmonic spectrum, which leads to difficult filter design and requires high switching speed of power devices. In this background, SPWM control mode is adopted to realize inverter grid connection and make it easy to filter out harmonic spectrum fixation. In the meantime, a predictive current control strategy is adopted to eliminate grid voltage disturbance and improve converter performance. Finally, PSIM simulation verifies the feasibility of the theoretical analysis and design.

Keywords: predictive current control; dual-Buck inverter; grid-connected inverter; simulation; reliability

0 引 言

航空航天、不間斷電源和軍民兩用逆變器對(duì)可靠性及效率要求高，雙Buck型逆變器具有無(wú)橋臂直通隱患、無(wú)體二極管反向恢復(fù)問(wèn)題，是此類變流器運(yùn)用的解決方案之一[1]。雙Buck逆變電路在提高效率和可靠性的同時(shí)，也引入了新的問(wèn)題[2]：(1)輸入電壓通常為全橋逆變器的兩倍，器件電壓應(yīng)力大，為獲得交流220 V輸出，直流母線電壓需大于700 V；(2)輸入需分壓大電容，存在母線不均壓?jiǎn)栴}，在控制策略上需進(jìn)行母線均壓調(diào)節(jié)；(3)橋臂輸出電壓為兩態(tài)電平，雙極性調(diào)制諧波含量大，增加輸出濾波器體積與重量。為解決這些不足，文獻(xiàn)[3]提出雙開關(guān)型雙Buck逆變電路。該電路為全橋結(jié)構(gòu)，輸入無(wú)需分壓大電容，直流母線電壓利用高，器件電壓應(yīng)力小一半；橋臂輸出為三態(tài)電平變化，諧波含量低。文獻(xiàn)[3]針對(duì)雙開關(guān)型雙Buck提出采用模擬電路搭建的滯環(huán)電流控制方式實(shí)現(xiàn)，滯環(huán)控制為非線性控制技術(shù)，具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、電流易跟蹤和內(nèi)在限流的特點(diǎn)，在雙Buck型逆變器中得到廣泛運(yùn)用。然而，滯環(huán)脈沖電流和開關(guān)噪聲，導(dǎo)致諧波頻譜寬，輸出濾波器設(shè)計(jì)困難[4]；采用變滯環(huán)寬度的滯環(huán)電流控制實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率的恒定，可降低諧波含量，但這種控制方式增加了控制電路的復(fù)雜性；逆變器并網(wǎng)時(shí)忽略了電網(wǎng)電壓擾動(dòng)帶來(lái)的影響，惡化了控制效果[5]。此外，在功率較大的運(yùn)用場(chǎng)合，通常采用IGBT作為開關(guān)器件，為防止過(guò)高的開關(guān)頻率損壞IGBT，需增加額外的限頻電路。

為解決以上不足，提出基于預(yù)測(cè)電流法SPWM控制的雙開關(guān)型雙Buck并網(wǎng)逆變器。預(yù)測(cè)電流控制抑制電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)電流的影響；恒定開關(guān)頻率的SPWM控制諧波頻譜固定易于分析，簡(jiǎn)化輸出濾波器設(shè)計(jì)；不需增加限頻電路，節(jié)約成本、保護(hù)了IGBT等開關(guān)器件的可靠工作。最后，通過(guò)PSIM與Visual studio軟件聯(lián)合搭建一個(gè)輸出功率1 kW的雙開關(guān)型雙Buck并網(wǎng)逆變器仿真電路，驗(yàn)證了理論分析和設(shè)計(jì)方法的可行性。

1 SPWM調(diào)制雙開關(guān)型雙Buck并網(wǎng)逆變器工作原理

預(yù)測(cè)電流控制雙開關(guān)型雙Buck并網(wǎng)逆變器如圖1所示，其中L1和L2為逆變器輸出濾波電感值為L(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的電感電流分別為iL1和iL2，Vd為輸入直流電壓，vg、ig分別為電網(wǎng)電壓和入網(wǎng)電流，vgf和iLf分別為進(jìn)入控制器的電網(wǎng)反饋電壓和并網(wǎng)反饋電流，參考電流為iref。與傳統(tǒng)雙Buck電路相比，增加了開關(guān)管S3和S4，二極管D3和D4，等效組成兩支單向開關(guān)，因此被稱為雙開關(guān)型雙Buck逆變器。

圖1 雙開關(guān)型雙Buck并網(wǎng)逆變器

如圖2所示為雙開關(guān)型雙Buck并網(wǎng)逆變器穩(wěn)態(tài)時(shí)在一個(gè)工頻周期的4個(gè)工作模態(tài)，圖3所示為所對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)波形，其中Vds1和Vds2分別為開關(guān)管S1和S2漏源極兩端電壓波形。在工頻正半周時(shí)對(duì)應(yīng)的工作模態(tài)為模態(tài)1和模態(tài)2，由圖2和圖3可知，此時(shí)ig>0，開關(guān)管S1、S4關(guān)斷，S3常閉和D3構(gòu)成一個(gè)正向?qū)ǖ拈_關(guān)，S2高頻工作、二極管D2完成續(xù)流，構(gòu)成正半周Buck電路工作模式。

圖2 SPWM控制雙管雙Buck工作模態(tài)

圖3 SPWM控制雙管雙Buck關(guān)鍵波形

工作模態(tài)1：電路工作在Buck儲(chǔ)能模式，S2導(dǎo)通，D2承受反壓截止，輸入電壓Vd與電網(wǎng)vg的差值施加在電感L2上，電感電流iL2線性上升，電感電流iL2變化率為：

(1)

工作模態(tài)2：電路工作在Buck續(xù)流模式，S2斷開，D2承受正向電壓導(dǎo)通，電網(wǎng)電壓vg反向施加在電感L2，電感電流iL2線性下降，電感電流iL2變化率為：

(2)

由式(1)和(2)可得輸入和輸出電壓關(guān)系式為：

vg=d2Vd

(3)

其中d2為開關(guān)管S2的占空比。

在工頻負(fù)半周時(shí)對(duì)應(yīng)的工作模態(tài)為模態(tài)3和模態(tài)4，由圖3和圖4可知，此時(shí)ig<0，開關(guān)管S2、S3關(guān)斷，S4常閉和D4構(gòu)成一個(gè)正向?qū)ǖ拈_關(guān)，S1高頻工作、二極管D1完成續(xù)流，構(gòu)成負(fù)半周Buck電路工作模式。負(fù)半周為正半周對(duì)稱工作，同理分析可得輸出電壓與輸入電壓關(guān)系式為：

vg=-d1Vd

(4)

其中d1為開關(guān)管S1的占空比。

2 預(yù)測(cè)電流控制分析

雙開關(guān)型雙Buck逆變器工作時(shí)正負(fù)半周對(duì)稱，因此以正半周工作為例進(jìn)行分析。采用L型濾波器的并網(wǎng)逆變器電感電流即入網(wǎng)電流，正半周工作時(shí)，由基爾霍夫定律和拉氏變換可得電感電流iL(s)為：

(5)

并網(wǎng)時(shí)最直接的瞬時(shí)控制電感電流的方式為采用比例調(diào)節(jié)跟蹤電網(wǎng)電壓正弦波形，將圖1電流控制環(huán)中用比例調(diào)節(jié)器替換可得，其占空比d(s)在復(fù)頻域上的表達(dá)式為：

d(s)=kp(iref(s)-iLf(s))

(6)

其中kp為比例系數(shù)，iLf(s)為電感電流測(cè)量值，iref(s)為電流給定，由式(3)、(5)、(6)結(jié)合開關(guān)周期為Ts的零階保持器做Z變換可得電感電流iLf(z)的表達(dá)式為：

(7)

由式(7)可知對(duì)應(yīng)的控制框圖如圖4(a)所示，當(dāng)kp取得無(wú)限大時(shí)才可消除電網(wǎng)電壓對(duì)電流環(huán)的擾動(dòng)，這在實(shí)際運(yùn)用中是不可取的。逆變器并網(wǎng)時(shí)僅采用比例P調(diào)節(jié)控制，并網(wǎng)電流受到電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的影響使得被控電流無(wú)法線性跟蹤給定電流，若采用PI控制則需調(diào)節(jié)比例系數(shù)和積分系數(shù)，增加調(diào)試難度。為此，提出如圖4(b)所示離散化的預(yù)測(cè)電流控制框圖，單L濾波器的并網(wǎng)逆變器等效成物理環(huán)節(jié)，軟件實(shí)現(xiàn)的控制部分等效為軟件環(huán)節(jié)。獲得圖4(b)預(yù)測(cè)電流控制方法的分析過(guò)程如下：

圖4 電流環(huán)控制框圖

假設(shè)電路工作在[k,k+1]開關(guān)周期內(nèi)做線性化處理，橋臂點(diǎn)B與零線N的電壓變化值表示為：

(8)

并網(wǎng)時(shí)控制目標(biāo)為電感電流在[k+1]處的值即采樣值iLf[k+1]跟蹤參考電流的值iref[k+1]的值，并由式(8)可得軟件環(huán)節(jié)控制器的輸出占空比表達(dá)式為：

(9)

由式(9)和逆變器物理環(huán)節(jié)相結(jié)合可得圖4(b)所示的預(yù)測(cè)電流控制雙開關(guān)型雙Buck并網(wǎng)逆變器的控制框圖，且電流環(huán)的輸入到輸出傳遞函數(shù)為：

(10)

與式(7)相比，采用預(yù)測(cè)電流控制后，電感電流iLf(z)的表達(dá)式已不含電網(wǎng)電壓擾動(dòng)項(xiàng)。不考慮系統(tǒng)時(shí)延的前提下，取仿真電路參數(shù)，開關(guān)周期Ts=25 μs、電感L=1.6 mH，圖5(a)和(b)給出了式(10)的零極點(diǎn)隨比例系數(shù)kp的變化圖，離散系統(tǒng)穩(wěn)定的沖要條件是系統(tǒng)的極點(diǎn)分布在單位圓內(nèi)，圖5(a)中比例系數(shù)kp小于電感L與開關(guān)周期Ts的比值時(shí)極點(diǎn)落在實(shí)軸的右半部分系統(tǒng)為低通輸出，當(dāng)L/Ts

仿真采用數(shù)字控制形式實(shí)現(xiàn)逆變器的逆變并網(wǎng)，存在考慮系統(tǒng)控制時(shí)延，圖4(b)占空比d[k]輸出前需增加一個(gè)零階保持器Z1，式(10)在增加零階保持器后變?yōu)椋?/p>

(11)

圖5 電流環(huán)傳遞函數(shù)零極點(diǎn)隨kp變化分布圖

式(11)的零極點(diǎn)隨比例系數(shù)kp變化的分布如圖5(c)所示，當(dāng)kp>L/Ts時(shí)系統(tǒng)將不能夠穩(wěn)定，為了保持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和低通特性比例系數(shù)需滿足kp

3 仿真分析

為了驗(yàn)證以上理論分析，用PSIM搭建仿真電路與Visual studio C++編寫控制程序、運(yùn)用同步鎖相技術(shù)[6]實(shí)現(xiàn)雙開關(guān)型雙Buck逆變器的并網(wǎng)仿真，逆變器并網(wǎng)采用單L濾波器，仿真參數(shù)為：輸入母線電壓360 V，電網(wǎng)電壓220 V/50 Hz，開關(guān)頻率40 kHz，輸出功率1 kW，兩支濾波電感為2 mH。

圖6(a)為采用電流環(huán)比例控制給定為滿載輸出時(shí)的仿真結(jié)果，并網(wǎng)時(shí)采用比例控制無(wú)法跟蹤電流給定；圖6(b)(c)為采用本文提出的預(yù)測(cè)電流控制方式的仿真結(jié)果，(b)為給定半載時(shí)的輸出波形、(c)為給定滿載時(shí)的并網(wǎng)波形，滿載時(shí)仿真并網(wǎng)電流THD=6.4% 、PF=0.997，可知雙開關(guān)型雙Buck并網(wǎng)逆變器在采用提出的預(yù)測(cè)電流控制策略可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電流跟蹤給定；圖6(d)為開關(guān)管S1、S2和并網(wǎng)仿真波形，采用半周期SPWM調(diào)制方式可實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率的恒定，有利于并網(wǎng)濾波器的設(shè)計(jì)。

圖6 雙開關(guān)型雙Buck并網(wǎng)逆變仿真波形

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)逆變器可靠性要求高的運(yùn)用場(chǎng)合，給出了一種預(yù)測(cè)電流控制的雙開關(guān)型雙Buck并網(wǎng)逆變?cè)O(shè)計(jì)方案。通過(guò)預(yù)測(cè)電流恒頻控制方法，解決了采用滯環(huán)電流控制的雙開關(guān)型雙Buck逆變器存輸出諧波頻譜寬，控制環(huán)受電網(wǎng)電壓擾動(dòng)影響、跟蹤不準(zhǔn)確的不足。所提出的控制方法僅需進(jìn)行比例參數(shù)調(diào)試，縮短了調(diào)試周期，便于工程運(yùn)用。仿真結(jié)果驗(yàn)證了預(yù)測(cè)電流控制的SPWM調(diào)制雙開關(guān)型雙Buck逆變器可良好實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)。

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Two-switch Dual Buck Grid-connected Inverter with Predictive Current Control

Lu Dexiang, Wang Wu, Cai Fenghuang

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou Fujian 350116, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.001

TM464

A

1000-3886(2017)03-0001-03

定稿日期: 2016-10-11

盧德祥(1990-)，男，福建龍巖人，碩士，研究方向：電力電子裝置及其控制技術(shù)。 王武(1973-)，男，福建莆田人，博士，教授，研究方向：濾波技術(shù)、電力電子系統(tǒng)建模與控制研究。 蔡逢煌(1976-)，男，福建莆田人，博士，副教授，研究方向：新能源發(fā)電、電力電子系統(tǒng)建模與控制實(shí)現(xiàn)。