張軼婷，徐萬萬，王 斌，呂 川

（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430081）

雙向Buck－Boost逆變器的歸一化峰值紋波控制

張軼婷，徐萬萬，王 斌，呂 川

（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430081）

研究了一種單級雙向Buck－Boost逆變器的工作原理，針對此逆變拓?fù)?，?yīng)用了歸一化峰值紋波控制方法。對歸一化算法進行了分析與說明，將歸一化峰值控制方法與傳統(tǒng)的電壓電流雙環(huán)控制方法進行對比，并利用PSCAD平臺對歸一化峰值控制方法進行了仿真實驗，實驗結(jié)果證明該方法能很好地減小輸出電壓的峰值紋波。

Buck－Boost逆變器；歸一化算法；紋波控制；峰值控制

紋波電壓是紋波的波峰與波谷之間的峰峰值，其大小與開關(guān)電源的輸入電容和輸出電容的容量及品質(zhì)有關(guān)，其產(chǎn)生原因是開關(guān)電源的開通與關(guān)斷動作［1］。每一個開通與關(guān)斷過程，都會使電能從輸入端傳送到輸出端，從而形成一個充放電過程，造成輸出電壓波動，波動頻率與開通關(guān)斷頻率相同［2］。紋波產(chǎn)生的原因有兩種，一種是開關(guān)電源自身造成的；另一種是由于外界電磁場的干擾，它以輻射的形式進入開關(guān)電源，或者通過電源線被輸入到開關(guān)電源中［3］。

紋波會在用電器上產(chǎn)生諧波，而諧波會造成較多的危害；例如增加損耗，降低電能轉(zhuǎn)換效率及用電設(shè)備的效率與設(shè)備利用率；較強的紋波還會產(chǎn)生浪涌電壓或電流，導(dǎo)致用電器燒毀［4］。

文中介紹了一種單級雙向Buck－Boost逆變器［5］，它由兩個Buck－Boost電路在輸入端并聯(lián)輸出端串聯(lián)構(gòu)成［6］，通過分析其工作原理和控制策略，針對其負(fù)載變化時電壓峰值紋波較大的問題進行了研究。文本引入了基于紋波峰值控制的歸一化控制算法［7］，通過加入電感電流和輸出電壓的權(quán)重因子，實現(xiàn)了V2C控制、V2控制和峰值電流的統(tǒng)一控制方法，此方法對負(fù)載突變具有快速的響應(yīng)速度，有良好的抗干擾性能。并通過PSCAD平臺對控制方法進行了仿真，實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)電壓電流雙環(huán)控制相比，歸一化峰值控制的算法能有效消除輸出電壓的峰值紋波。

1 Buck－Boost原理及其常規(guī)控制

本文采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在基本Buck－Boost電路的基礎(chǔ)上進行改進，由兩組雙向Buck－Boost變換器組合而成，分別給每組變換器輸出幅值相同、相位相差180°具有直流偏置量的正弦電壓，最后疊加相減輸出于正弦交流電壓。雙向Buck－Boost逆變器電路輸出公式如下［8］：

由輸出公式可以看出，通過改變開關(guān)管的占空比，可以實現(xiàn)升壓和降壓逆變。電路由兩組完全相同的DC／DC變換器輸入并聯(lián)、輸出串聯(lián)組成。分別給每組變換器輸出幅值相同、相位相差180°具有直流偏置量的正弦電壓，最后疊加相減輸出于正弦交流電壓。完整的電路拓?fù)淙鐖D1所示。

以單組Buck－Boost直流斬波器為例介紹其工作原理。逆變器電路工作狀態(tài)（1）時，開關(guān)VT1導(dǎo)通，VT2斷開，電流方向為正，電流經(jīng)VT1流動；逆變器電路工作狀態(tài)（2）開關(guān)VT1斷開，VT2導(dǎo)通，電流方向為正，電流經(jīng)VD2續(xù)流；逆變器電路工作狀態(tài)（3）開關(guān)VT1斷開，VT2導(dǎo)通，電流方向為負(fù)，電流經(jīng)VT2流動；逆變器電路工作狀態(tài)（4）開關(guān)VT1導(dǎo)通，VT2斷開，電流方向為負(fù)，電流經(jīng)VD1續(xù)流。

圖1 雙向Buck－Boost逆變器

根據(jù)電感電流連續(xù)狀態(tài)下的信號模型，電感電壓開關(guān)周期平均值和電容電流開關(guān)周期平均值表達式如下

式中：d1為VT1的占空比，d′1＝1－d1為VT2的占空比；vL1、vIN、v01分別為電感電壓、輸入電壓和輸出電壓；iC1、iL1、i01分別為電容電流、電感電流和輸出電流。通過占空比變化可以達到對電感電流開關(guān)周期平均值的控制（圖2）。

圖2 四個開關(guān)管的控制脈沖時間序列圖

電壓電流雙環(huán)控制是Buck－Boost變換器的傳統(tǒng)控制方法之一［9］。這種控制方法基于電壓控制，加入電感電流或者開關(guān)電流作為反饋檢測信號，從而形成一個雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，如圖3所示。在輸入電壓變化時，電壓電流雙環(huán)控制方法能大大提高變換器的響應(yīng)速度，但是仍然存在負(fù)載變化時的線性調(diào)整率差等問題［10］。

圖3 電壓電流雙環(huán)控制電路圖

2 歸一化峰值紋波控制算法與仿真模型建立

針對傳統(tǒng)電壓電流雙環(huán)控制中存在的負(fù)載變化時線性調(diào)整率問題，考慮采用峰值控制算法來改進。

圖4為歸一化紋波峰值控制Buck－Boost變換器的控制波形。其中m1為內(nèi)環(huán)檢測電壓紋波的上升沿斜率，m2為內(nèi)環(huán)檢測電壓紋波的下降沿斜率，dn－1、dn分別是第n－1周期與第n周期開關(guān)管VT1的導(dǎo)通占空比，Ts是開關(guān)周期，IL為穩(wěn)態(tài)時電感電流的平均值，VO為穩(wěn)態(tài)時輸出電壓的平均值，vD為輸入側(cè)直流電壓，vc是紋波峰值控制信號。

圖4 歸一化紋波峰值控制Buck－Boost變換器的控制波形

圖4中給出了相鄰兩個開關(guān)周期的波形，在每個開關(guān)周期開始時，時鐘信號使開關(guān)管控制電壓vp為低電平，開關(guān)管關(guān)斷，電感電流初始值開始線性減小，相應(yīng)地內(nèi)環(huán)檢測電壓也由初始值開始線性減小。當(dāng)內(nèi)環(huán)檢測電壓減小到控制電壓Vc時，使開關(guān)管控制電壓vp為高電平，開關(guān)管導(dǎo)通，電感電流線性增大，相應(yīng)地內(nèi)環(huán)檢測電壓也線性增大，直到下一個時鐘脈沖信號到來，開始一個新的開關(guān)周期。下式為第n周期的占空比算式：

為驗證理論分析的正確性，分別對歸一化紋波峰值控制和電壓電流雙環(huán)控制進行了仿真實驗和實驗驗證。歸一化紋波峰值控制Buck－Boost變換器的電路如圖5，方框內(nèi)為控制部分電路。Kc為檢測電感電流的比例系數(shù)，Kv為檢測輸出電壓的比例系數(shù)，ωc為電感電流權(quán)重因子，ωv為輸出電壓權(quán)重因子，且ωc＋ωv＝1。其中檢測電感電流的比例系數(shù)Kc與檢測輸出電壓的比例系數(shù)Kv均取為1。在每個開關(guān)周期開始時，時鐘信號使鎖存器輸出信號VD1為低電平，開關(guān)管VT1關(guān)斷，IL1由初始值開始線性減小，同時，內(nèi)環(huán)檢測電壓E1也由初始值開始線性減小。當(dāng)E1減小到與控制電壓Vc一樣，此時比較器的輸出值變換，使鎖存器輸出一個高電平信號VD1，從而使開關(guān)管VT1導(dǎo)通，IL1開始線性增大，同樣的，內(nèi)環(huán)檢測電壓E1也線性增大。等下一個時鐘信號脈沖到來時，再開始一個新的開關(guān)周期。

圖5 歸一化紋波峰值控制Buck－Boost變換器的電路圖

電壓電流雙環(huán)控制仿真模型見圖6。是由電壓基準(zhǔn)和輸出電壓經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后，與負(fù)載電流一起作為電流基準(zhǔn)，電流基準(zhǔn)和反饋電流的誤差經(jīng)過比例放大作為調(diào)制波與三角載波比較，得到正弦脈寬調(diào)制信號（SPWM），使得Buck－Boost變換器的占空比發(fā)生變化，達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。歸一化紋波峰值控制的單組控制電路仿真模型見圖7。

圖6 電壓電流雙環(huán)控制仿真模型

圖7 歸一化紋波峰值控制的單組控制電路仿真模型

要實現(xiàn)的功能是48V直流電壓經(jīng)過所設(shè)計的逆變器轉(zhuǎn)換成220V、50Hz的交流正弦波。在對該逆變器系統(tǒng)各個元件和功能分析后，設(shè)置主電路及其控制回路參數(shù)如下，直流輸入電壓vD＝48V；開關(guān)頻率fs＝10kHz，電感L＝200uH，電容C＝ 80uF，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為0.56和2.32×10－3。通過仿真實驗反復(fù)測試，為了得到較好的控制結(jié)果，其中電壓E1權(quán)重值取0.25，電感電流IL1權(quán)重值取0.75。

3 仿真結(jié)果分析

通過仿真發(fā)現(xiàn)，電壓電流雙環(huán)控制模式在負(fù)載為20～1 000Ω時，有較好的輸出特性，中等負(fù)載時輸出波形最好。當(dāng)逆變電路內(nèi)阻小于負(fù)載等效阻值的5%時對負(fù)載影響較小，可以忽略，由此推算本裝置內(nèi)阻約為1Ω。

負(fù)載等效阻值為20Ω時，Po＝1.2PN，當(dāng)負(fù)載阻值為24Ω時為額定負(fù)載，此時Po＝PN，設(shè)定負(fù)載等效阻值為50Ω時，Po＝0.5PN，當(dāng)負(fù)載阻值為240Ω時，Po＝0.1PN。

以負(fù)載為50Ω時為例，電壓電流雙環(huán)控制波形與歸一化峰值紋波控制輸出電壓波形見圖8。

圖8 電壓電流雙環(huán)控制波形與歸一化峰值紋波控制輸出電壓波形

在負(fù)載阻值分別為20Ω、50Ω、240Ω的情況下輸出電壓仿真波形見圖9。

圖9 三種負(fù)載情況下的輸出電壓仿真波形波峰放大圖

從仿真波形可知，在三種負(fù)載情況下輸出電壓都有明顯的齒狀紋波，其中，重載時鋸齒狀紋波最為明顯，而在輕載時，波峰有輕微畸變。而歸一化峰值控制在三種負(fù)載情況下輸出電壓波峰都比較平滑，沒有明顯的齒狀紋波。

在三種負(fù)載情況下，分別計算了電壓電流雙環(huán)控制與歸一化峰值控制輸出電壓的諧波失真率（表1），可以看到歸一化峰值控制下輸出電壓UO的諧波失真率遠(yuǎn)低于電壓電流雙環(huán)控制，在負(fù)載波動范圍為20～240Ω時，THD始終維持在5%以內(nèi)，其中，在負(fù)載為50Ω時THD最低，即逆變器在帶線性負(fù)載時，負(fù)載在額定值附近時輸出電壓THD較低。

表1 電壓電流雙環(huán)控制與歸一化峰值控制UO的諧波失真率（THD）

4 結(jié)語

本文研究了一種從基本的Buck－Boost電路引申出的雙向的Buck－Boost電路輸入并聯(lián)、輸出串聯(lián)的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析其工作原理，針對此拓?fù)洌芯苛藲w一化峰值紋波控制方法，對歸一化算法進行了分析與說明，將歸一化峰值控制方法與傳統(tǒng)的電壓電流雙環(huán)控制方法進行對比，并利用PSCAD平臺對歸一化峰值控制方法進行了仿真實驗，實驗結(jié)果證明了該方法能很好地減小輸出電壓的峰值紋波。在PSCAD環(huán)境中搭建主電路和控制回路，對比了在負(fù)載變化的情況下，歸一化峰值控制方法與傳統(tǒng)的電壓電流雙環(huán)控制方法的輸出特性，從仿真上證明了該控制方法的正確性與可行性。

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［責(zé)任編校：張巖芳］

Normalized Peak Ripple Control of Bidirectional Buck－Boost Inverter

ZHANG Yi－ting，XU Wan－wan，WANG Bin，LV Chuan
（Dep.of Information Sci.and Engin.，Wuhan Univ.of Sci.and Tech.，Wuhan，430081，China）

Working principles of a single－stage bidirectional Buck－Boost inverter was studied in this paper.The normalized peak ripple control methods was applied for this inverter topology.The normalization algorithm was also analyzed and illustrated in details.And the normalized peak voltage control method was compared with the traditional method of the current loop control.The simulation experiment was conducted by using PSCAD platform.The results of normalized peak method for controlling shows that this method can reduce the peak output voltage ripple.

buck－boost inverter；normalization algorithm；ripple control；peak control

TM464

A

1003－4684（2014）01－0020－05

2013－11－28

張軼婷（1988－），女，湖北天門人，武漢科技大學(xué)碩士研究生，研究方向為控制理論與工程