電力變換移相控制的代數環問題

于曉慧, 王 蔚

(長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012)

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電力變換移相控制的代數環問題

于曉慧, 王 蔚*

(長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012)

分析了代數環產生的原因，采用插入延遲模塊切斷了輸入、輸出的直接聯系，從而消除了電力變換移相控制仿真中的代數環的影響。

代數環； 電力變換； 移相控制； 延遲模塊

0 引 言

我們常用的電力電子器件(如IGBT和MOSEFET管)通常是工作在高頻開關的狀態，功率管在開關時產生開關損耗，傳統的硬開關損耗很大，為了解決這一問題，軟開關技術應運而生，移相控制就是其中的一種[1]。

1 移相控制原理

移相控制技術的基本思想是：全橋變換器的每個橋臂上的兩個開關管在工作時180°互補導通，兩個橋臂的導通角相差一個相位α，即移相角，調節這個移相角，就可控制功率管的導通時間，進而控制變換器的輸出[2]。

移相控制中的PWM信號的基本控制過程[3]：將變換器的電壓輸出與設定的電壓進行比較，誤差信號經PI調節器調節，輸出控制變換器濾波電感電流的指令電壓，并與實時濾波電感電流的電流進行比較，得到一個誤差信號，這個誤差信號再經過一個PI調節器，得到PWM脈沖信號的調制電壓，這個電壓與三角載波進行比較，得到PWM脈沖信號。

移相控制過程如圖1所示。

圖1 移相控制過程

2 全橋變換器移相控制系統仿真

2.1 全橋變換器及整流輸出模塊

圖1有兩個PI調節器，第1個PI調節器是電壓控制器，第2個是電流控制器。

全橋逆變電路的移相控制在Matlab-Simulink仿真如圖2所示[4]。

圖2 全橋逆變電路移相控制

采用IGBT并聯電容作為電路的變換器件[5]，逆變電路與整流電路之間通過一個變壓器相連，逆變電路將直流電源逆變為一個交流信號，這個交流信號經變壓器傳遞給整流電路，經整流電路整流變為直流電，供給負載。

2.2 移相控制模塊

移相控制模塊如圖3所示。

它是按照圖1的控制過程搭建的，整個過程的關系式為：

u=Con-ul

u1=y-I

式中：ul----濾波電感電壓；

p,k,p1,k1----PI調節器的調節參數；

I----濾波電感電流；

y1----輸出的PWM波的調制信號。

在這個移相部分，上面的Out1與Out2輸出的是未經移相且互補的PWM脈沖波形，下面的Out3與Out4是經過移相且互補的PWM波形，文中移相的實現與其他的移相方法有些不同，現有的很多方法都是通過對已產生的PWM波形進行處理，這樣的方法搭建出來的模型很大、很復雜，實現起來有些困難，而本模型是在調信號與三角波比較的部分進行一定的處理，即對下面的三角波進行一定的延遲處理，使其下面產生的PWM波形直接就有一定的移相，不用經過復雜的運算，通過調節這個延遲的長短來實現移相，也就是文中從產生PWM的部分進行移相，方法更為簡潔。

2.3 PI調節器

PI調節器如圖4所示[6]。

圖3 移相控制

圖4 PI調節器

在圖4中，上面的是比例環節，下面的是積分環節，二者相互配合構成了PI調節器，電壓調節器與電流調節器的結構均參見圖4，只是參數設置不同。

3 代數環

3.1 代數環產生原因

由上面可以看出，全橋移相逆變電路是一個有反饋的閉環回路，而一般在有反饋存在時，輸入與輸出同時參與計算，即一般我們知道輸出是由輸入決定的，而此時，輸出也決定著輸入，這就使整個仿真的過程出現代數環。典型代數環的示意圖如圖5所示。

圖5 典型的代數環

在仿真中，代數環的出現很可能會使仿真失真，導致整個結果的錯誤，所以我們要解決仿真中出現的代數環這一問題，就要了解這個問題出現的原因和條件，原因我們在上面說了，是由于輸入和輸出同時參與計算，引起的一個邏輯的混亂，它的出現也是有一定的條件，那就是在一個反饋的閉合回路上，回路上的每個模塊都是直通模塊，所謂的直通模塊就是指該模塊輸入中的一部分直接到達輸出。

3.2 解決代數環辦法

圖6 變化后的傳遞函數

這樣有效地消除了代數環，但對于一些非常復雜的仿真模型，要完成數學變化幾乎是一個不可能的工作，所以要通過其他方式來消除它，上面說過，代數環是由于輸入與輸出同時計算引起的，那么增加一個不影響仿真的延時環節來切掉這個同時，文中就是采用的這種方法。這個延遲環節如圖7所示(也即圖1中的積分器)。

圖7 延遲模塊

最后一種方法就是徹底的重構模型，這個實現更加困難，很少會有人選擇重構模型[8]。

4 參數設置與仿真結果

4.1 參數設置

移相控制環節的參數設定為電壓調節器P=0.2，I=20；電流調節器P1=0.5，I1=20；三角波的幅值為20，頻率f=20 kHz；限幅環節限定的幅值為15；延遲時間設定為25 μs；零點保持模塊的采樣時間設置為1。

對于延遲模塊參數的選擇，需根據整個系統的仿真時間與最大步長來定，由于本模型的最大步長為1.5 ms,為不影響仿真精度，設定延遲時間為0.5 μs。

4.2 仿真結果

PWM的波形如圖8所示。

圖8 PWM波形

從圖8中可以看出，下面的波形比上面的波形滯后了一段時間，這段時間就是我們想要得到的移相角α，并且最終的波形還可根據控制要求的改變做進一步的處理，例如，可增加一個死區時間的設定，控制波形的死區時間。

5 結 語

在移相控制思想的基礎上，設計了一個更為簡單的產生PWM波形及對其移相的方法，并通過Matlab/Simlink進行仿真，通過仿真時對參數的調節，對PI的調節過程有了更為深刻的了解。仿真時還發現存在著代數環的問題，通過查閱大量的資料學習解決方法，最終選擇更為實用的方法將其解決。文中的移相控制相對簡單，為學習高頻開關變換器的軟開關技術中的移相控制提供了一個簡單的模型參考。

[1] 蘇小麗，佃松宜，鄭萬里.帶零電壓轉換軟開關的新型單相單級隔離式Culk開關電源[J].電工技術學報,2013,31(22):66-72.

[2] 鞠文耀.相移軟開關PWM技術的研究[D].南京:南京理工大學,2003:5-6.

[3] 宋志勇.移相全橋大功率高頻開關電源的研究與設計[D].武漢:湖北工業大學,2014:13-21.

[4] 郭金華，趙彬，李巖，等.基于ds PIC 3DF4011的逆變電源復合控制[J].長春工業大學學報,2016,37(4):372-377.

[5] 戴鈺,丘東元,張波,等.基于Matlab的移相全橋變換器仿真實驗平臺設計[J].實驗技術與管理,2011,28(5):87.

[6] 耿華，楊耕.控制系統仿真中代數環問題的對策及其在構建飽和環節時的應用[C]//中國電工技術學會電力電子學會第十屆學術年會論文集電源技術應用,2006.

[7] 陳富安，馬騰.電動汽車用異步電機矢量控制系統仿真及代數環問題分析[J].機電工程技術,2013,42(5):8-9.

[8] 馬曉虹.Matlab中的代數環問題及其消除方法[J].科技廣場,2010(7):159-161.

Algebraic loop in power conversion phase-shift control

YU Xiaohui, WANG Wei*

(School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

The reasons why algebraic loop is produced are analyzed, and then the relationship between input and output are cut off with a delay module for eliminating the influence of the algebraic loop to the power conversion phase-shift control.

algebraic loop; power conversion; phase-shift control; delay module.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.1.16

2016-11-25

吉林省科技攻關計劃基金資助項目(20140204031GX)

于曉慧(1991-)，女，漢族，黑龍江黑河人，長春工業大學碩士研究生，主要從事電力變換技術與新能源開發方向研究,E-mail:1069427962@qq.com. *通訊作者：王 蔚(1976-)，男，漢族，吉林長春人，長春工業大學副教授，主要從事電力變換技術與新能源開發方向研究,E-mail:wangwei@ccut.edu.cn.

TP 391

A

1674-1374(2017)01-0084-05