唐智，夏澤中，黃剛，蘇洪揚

（1.武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430070；2.長園深瑞繼保自動化有限公司，廣東 深圳 518057；3.國網(wǎng)恩施供電公司，湖北 恩施 445000）

單周期控制的雙向半橋AC-DC變換器

唐智1，夏澤中1，黃剛2，蘇洪揚3

（1.武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430070；2.長園深瑞繼保自動化有限公司，廣東 深圳 518057；3.國網(wǎng)恩施供電公司，湖北 恩施 445000）

提出了一種改進型單周期控制的雙向半橋AC-DC變換器。與普通單周期控制的變換器不能工作在逆變模式相比，所提出的變換器能穩(wěn)定工作在整流模式和逆變模式，實現(xiàn)了能量的雙向流動，并具有高功率因數(shù)的特點。介紹和分析了改進型單周期控制的半橋AC-DC變換器的工作原理，分析其穩(wěn)定性條件和橋臂電容電壓的平衡問題。仿真和實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

單周期控制；雙向變換器；半橋AC-DC變換器；高功率因數(shù)

隨著光能、風能等可再生能源發(fā)電技術(shù)逐漸被廣泛應用，可再生能源占總用電量的比重正在快速增加。由于可再生能源發(fā)電的間歇性，需要大容量的儲能系統(tǒng)來提高能量的利用率。儲能系統(tǒng)要求所使用的變換器具有能量雙向流動能力、高功率因數(shù)和低的總諧波失真［1］。雙向AC-DC變換器就是儲能系統(tǒng)中常用的變換器之一。

與全橋拓撲相比，半橋電路結(jié)構(gòu)更為簡單，開關(guān)器件更少，因而開關(guān)損耗較小，整體效率更高［2］。對于小功率、低成本應用，單相半橋ACDC變換器具有優(yōu)勢。單相半橋AC-DC變換器不僅適用于雙向AC-DC變換，使用2個對稱的半橋AC-DC變換器，中間通過變壓器隔離，可以構(gòu)成雙向半橋DC-DC變換器［3］。

普通單周期控制的AC-DC變換器不能工作在逆變模式［4-5］，而文獻［6］所提出的控制策略相當復雜，它將交流側(cè)的輸入電壓相位和電壓的正負極性調(diào)制成電流的參考量，從而保證變換器電流和電壓相位相差180°，完成能量的回饋。

本文采用一種改進型的單周期控制算法，以實現(xiàn)半橋AC-DC變換器在整流模式和逆變模式下穩(wěn)定工作，并能夠平穩(wěn)切換。為使半橋電路電容中點電位基本不變，引入了電容均壓控制。

1 電路拓撲與工作原理

1.1 雙向半橋AC-DC變換器工作原理

圖1為雙相半橋AC-DC變換器原理圖。圖1中，Us（t）為交流側(cè)電壓，Uo為直流母線電壓，L為儲能電感，Rs為原邊電流采樣電阻，Rh為原邊負載電阻，C1，C2為橋臂電容，S1，S2為開關(guān)管，E為等效電池組。該拓撲使用2個相同參數(shù)的電容串聯(lián)，代替全橋電路中的開關(guān)管，同時作為儲能電容，減小直流電壓中的紋波。

圖1 雙向半橋AC-DC變換器Fig.1 Bidirectional Half-bridge AC-DC converter

根據(jù)電池組電壓來決定電路的工作狀態(tài)。當電池電壓小于直流母線電壓時，變換器工作在整流狀態(tài)，其工作方式相當于Boost電路，實現(xiàn)高功率因數(shù)整流；反之，變換器工作在逆變狀態(tài)，工作方式相當于Buck電路，實現(xiàn)能量的回饋。

1.2 改進型單周期控制

半橋AC-DC變換器的改進型單周期控制框圖如圖2所示。圖2中，Uo為輸出電壓，Uo*為參考電壓，UE為偏差電壓，UM為PI調(diào)節(jié)器的輸出，Ts為開關(guān)周期，is為電感電流采樣值，ΔUc為橋臂電容電壓之差，Re為等效負載電阻。穩(wěn)態(tài)時UM為常數(shù)，利用1個可復位積分器，可以得到1個峰值為2UM的雙極性鋸齒波，用uR表示：

式中：t為時間。

圖2 改進型單周期控制框圖Fig.2 Control block diagram for modified OCC

通過采樣電阻Rs，將電感電流采集后與鋸齒波比較，其結(jié)果作為RS觸發(fā)器的復位信號。

在普通單周期控制的基礎上，引入1個與交流源電壓瞬時值成正比的虛擬采樣電流ih。該采樣值與電感電流采樣值相加，作為比較器的輸入：

以整流模式下交流電源正半周期為例，說明變換器開關(guān)過程。在1個時鐘周期開始時，時鐘信號復位積分器，同時置位SR觸發(fā)器，開關(guān)管S2導通，電感電流增加。當Rs(is+ih)的大小超過uR時，SR觸發(fā)器復位，開關(guān)管S2關(guān)斷，S1導通，電感電流減小。因此，單周期控制實際上是一種峰值電流控制方式，其電流波形與開關(guān)時序如圖3所示。

圖3 電流波形與開關(guān)時序原理圖Fig.3 Schematic diagram of current waveforms along with switching sequence

2 單周期控制的半橋AC-DC變換器建模

在對改進型單周期控制的雙向半橋AC-DC變換器建模時，做如下假設：1）橋臂電容足夠大，可以忽略電容電壓的不平衡；2）開關(guān)周期比工頻周期小得多；3）忽略交流電流中的諧波分量。

Kr和Kf分別為電感電流的采樣值上升和下降的斜率：

式中：us為交流電壓瞬時值；，分別為2個橋臂電容電壓；L為交流側(cè)電感量；Rs為采樣電阻值。

由圖3所示幾何關(guān)系，可以得到2個開關(guān)管的導通時間：

式中：IN為第N個開關(guān)周期原邊電流is+ih的峰值；Km為鋸齒波的斜率，Km=-2UM/Ts。

從第N個開關(guān)周期到第N+1個開關(guān)周期，電感電流峰值增加量為

式中：t3-t2為第N+1個開關(guān)周期S2的導通時間。

由于相鄰2個開關(guān)周期內(nèi)，電感電流變化很小，故可用t1代替t3-t2。聯(lián)立式（3）～式（5），可得：

按照假設條件，式（6）可以化簡為

則對應的電流穩(wěn)態(tài)相量表達式為

圖4a為相應的普通單周期控制的半橋ACDC變換器平均模型。由式（8）可得改進型單周期控制的雙向半橋AC-DC變換器的平均模型如圖4b所示。

圖4 變換器電路平均模型Fig.4 Average models of the OCC based converter

2.1 橋臂電容電壓平衡

在前文的建模中，假設半橋AC-DC變換器橋臂電容足夠大，因而忽略了橋臂電容電壓不平衡的現(xiàn)象。但在實際工程中，橋臂電容頻繁的充放電使其電壓不斷變化，這對變換器的性能和穩(wěn)定性都會造成影響。在改進型單周期控制的變換器建模中，考慮到橋臂電容電壓之差，則可得到如下穩(wěn)態(tài)相量表達式：

2.2 穩(wěn)定性分析

當變換器穩(wěn)定工作時，根據(jù)電感的伏秒平衡原則，可以推導變換器的穩(wěn)態(tài)占空比為

根據(jù)圖3所示電感電流采樣值與調(diào)制波的關(guān)系，可以得到第N個和第N+1個周期的占空比dN和dN+1滿足如下關(guān)系：

化簡可得

由式（11）、式（13）、式（14）可得如下關(guān)系式：

可知，當|k |＜1時，系統(tǒng)穩(wěn)定。由式（3）、式（14）可得：

系統(tǒng)在交流電源的整個周期內(nèi)都要滿足式（16），因此，系統(tǒng)的穩(wěn)定條件為

3 仿真和實驗

3.1 仿真結(jié)果

為了驗證前面的理論分析，采用PSIM 9.0軟件對單周期控制的半橋AC-DC變換器進行仿真。交流電源為110 V/50 Hz，直流母線電壓為400 V，功率為400 W，電感為2 mH，每個橋臂電容2 000 μF，開關(guān)頻率100 kHz。

圖5a所示為普通單周期控制的半橋AC-DC變換器的仿真結(jié)果，在0～150 ms期間穩(wěn)定工作在整流模式，在150 ms處強制切換到逆變模式時，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。圖5b所示為改進型單周期控制的半橋AC-DC變換器，同樣在150 ms處切換到逆變模式，系統(tǒng)很快穩(wěn)定工作在逆變模式。通過仿真軟件的分析工具，可以得到改進型控制的半橋AC-DC變換器，整流工作時，功率因數(shù)為0.993；逆變工作時，功率因數(shù)為-0.984。

圖5 仿真波形Fig.5 Simulation waveforms

未加電容均壓補償控制和有電容均壓補償控制的橋臂電容電壓波形如圖6所示?？梢钥闯?，加入電容均壓補償控制后，橋臂電容電壓不平衡現(xiàn)象得到明顯的改善。

圖6 橋臂電容電壓波形Fig.6 Voltage waveforms of bridge capacitors

3.2 實驗結(jié)果

本文搭建了一臺基于DSPTMS320F28069的改進型單周期控制的雙向半橋AC-DC變換器實驗樣機。實驗樣機功率為400 W，交流側(cè)電壓為110 V/50 Hz，直流側(cè)電壓400 V。電感1 mH，每個橋臂電容1 000 μF，開關(guān)頻率100 kHz。

圖7a為開關(guān)管S1和S2的驅(qū)動電壓波形；圖7b為整流工作時輸出電壓波形，穩(wěn)定控制在400 V；圖7c為整流時輸入電壓與電流的波形，可以看出輸入電流基本跟蹤輸入電壓，實現(xiàn)高功率因數(shù)整流；圖7d為逆變時輸入電壓與輸入電流的波形，電壓與電流相位相差180°。實驗結(jié)果表明，改進型單周期控制的半橋AC-DC變換器可以穩(wěn)定工作在整流模式和逆變模式。

圖7 實驗波形Fig.7 Experimental waveforms

4 結(jié)論

本文提出了一種改進型單周期控制的雙向半橋AC-DC變換器。通過在實際采樣的電感電流中增加1個與交流電源成比例的虛擬電流，變換器能夠穩(wěn)定工作在整流模式和逆變模式，并能夠平穩(wěn)切換。該變換器還具有高功率因數(shù)的特點。將橋臂電容電壓差引入到反饋控制回路中，改善了橋臂電容電壓不平衡的問題。仿真波形和實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

［1］Qian Hao，Lai Jih-Sheng，Zhang Jianhui，et al.High-efficiency Bidirectional AC-DC Converter for Energy Storage Systems［C］//IEEE Energy Conversion Congress and Exposition，Atlanta，America，2010：3224-3229.

［2］Ghosh R，Narayanan G.A Simple Analog Controller for Singlephase Half-bridge Rectifier［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（1）：186-198.

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One Cycle Controlled Bidirectional Half-bridge AC-DC Converter

TANG Zhi1，XIA Zezhong1，HUANG Gang2，SU Hongyang3
（1.Automation College，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，Hubei，China；2.CYG SUNRI Co.，Ltd.，Shenzhen 518057，Guangdong，China；3.State Grid Enshi Power Company，Enshi 445000，Hubei，China）

A modified one cycle control（OCC）based bidirectional half-bridge AC-DC converter was proposed.Compared to the conventional OCC based converter which fails to operate in inverting mode，the proposed converter could operate stably in both rectification and inverting mode，thus bidirectional power flow with high power factor was realized，operation principles of the proposed half-bridge AC-DC converter were presented and analyzed，and the stability criterion along with the voltage balance of the bridge capacitors was derived.Simulation performance and the experimental results show agreement with theoretical analysis.

one-cycle control；bidirectional converter；half-bridge AC-DC converter；high power factor

TM46

A

10.19457/j.1001-2095.20171006

唐智（1992-），男，碩士研究生，Email：tangle309@sohu.com

2016-08-22

修改稿日期：2017-01-10