電流跟蹤型兩態調制逆變器的仿真研究

趙水英 張翠俠 曹吉花

摘要：結合逆變電路的應用，詳細闡述了電流跟蹤型滯環比較控制方法，實現了對逆變器的兩態調制.根據滯環比較器的控制思想，采用兩個比較器和觸發器完成了滯環比較控制的功能，通過觸發器輸出的高電平、低電平控制逆變器中功率變換開關的導通與關斷.應用電流互感器實時采集交流側的電流，與給定電流控制信號比較求得偏差信號，再通過滯環比較器控制，進而達到對電流閉環跟蹤控制的目的.并借助于PSIM仿真平臺搭建了模型，對不同參數情況下，進行了仿真.仿真結果表明，通過改變滯環比較器的環寬、電抗器的電感大小，能夠直觀地得出滯環比較器的環寬、電抗器參數對跟蹤速度、跟蹤誤差的影響.

關鍵詞：電流跟蹤控制;兩態調制;逆變器;滯環比較

中圖分類號：TM461? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2020）02-0077-03

PWM控制技術在逆變電路控制中應用比較廣泛，PWM控制方法包括計算法、調制法和跟蹤控制法.調制法又分為兩態調制和三態調制.其中，兩態調制（Two-State Modulation，簡稱TSM）是1966年美國學者A.G.Bose提出的.所謂電流跟蹤型兩態調制是指利用一個閉環控制中的誤差滯環比較器，直接產生一個只有高電平和低電平兩種狀態的PWM控制信號，以使輸出電流能自動跟蹤控制指令[1].將TSM運用于逆變電路控制時，如果控制指令電流波形為正弦波時，通過誤差滯環比較器的輸出就可以實現SPWM脈沖信號發生.也就是，把希望輸出的電流波形作為指令信號，把實際輸出的電流波形作為反饋信號，通過兩者的瞬時值比較來決定逆變電路各功率開關器件的開通和關斷，使實際的輸出電流實時跟蹤指令信號的變化[2].這種控制方法具有以下優點：（1）硬件電路簡單;（2）屬于非線性閉環控制控制技術，實時性控制強，電流響應速度快;（3）與調制法相比，不需要載波，輸出波形不含有特定頻率的諧波分量.

結合非線性逆變器的應用，將電流跟蹤型滯環比較控制方式對逆變電路中的電力開關器件進行控制，實現逆變器的兩態調制.利用PSIM（Power Simulation，簡稱PSIM）仿真平臺搭建模型，進行仿真研究.通過比較器和觸發器的結合，完成滯環比較控制功能，以達到電流跟蹤控制的目的.并研究滯環寬度、電抗器參數等對電流跟蹤控制的影響.

1 電流跟蹤滯環比較控制思想

電流跟蹤PWM控制技術是功率變換電路中重要控制方法之一，其目的是將實際輸出電流時刻跟蹤指令電流的變化，將實際電流與希望輸出的給定電流之間的誤差限制在一定范圍內[3].設計的電流跟蹤滯環比較控制模塊框圖如圖1所示，由比較器、觸發器、逆變器主電路、負載和電抗器構成.其控制思路：利用電流互感器實時采集的負載輸出電流i與給定電流信號i*相減得到偏差信號e作為比較器的輸入，再與比較器的參考值△I比較，比較器的參考值即滯環比較器環寬的一半，比較器的輸出作為觸發器的輸入，通過觸發器的控制產生PWM控制信號，進而控制逆變器中全控器件IGBT的開通與關斷.當電流偏差信號e>△I時，控制實際電流i增加;當電流偏差信號e<-△I時，控制實際電流i減小.這樣，負載電流能夠在i*+△I和i*-△I范圍內實時跟蹤給定指令電流信號的改變.通過環寬和電抗器參數的設定，改變電流跟蹤誤差大小、跟蹤速度和開關頻率的高低[4-5].

2 半橋逆變電路的應用實現

2.1 電流跟蹤型TSM控制結構

逆變電路分為單相逆變電路和三相逆變電路，其中單相半橋逆變電路是基礎，三相逆變電路也是在半橋逆變電路的基礎上建立的，因此，本設計以單相半橋逆變電路控制為例進行闡述.根據設計要求，采用電流跟蹤兩態調制控制結構如圖2所示.根據逆變器控制的目的，給定指令電流信號i*為正弦波信號，通過電流互感器實時檢測負載電流i，與給定電流i*比較，得到的偏差信號i*-i作為滯環比較器的輸入信號，利用滯環比較器的輸出控制全控型電力電子器件V1和V2的導通和關斷，從而達到負載電流實時跟蹤給定指令電流的目的.具體控制規律：當功率器件V1或VD1導通時，負載電流i增大，負載輸出電壓u0=+Ud/2;當V2或VD2導通時，負載電流i減小，負載輸出電壓u0=-Ud/2.通過滯環比較器的控制，i就在一定范圍內呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*.電流的變化率大小與負載串聯的電抗器L有關，L過大時，負載電流i的變化率較小，對給定指令電流跟蹤速度變，器件開關頻率較低;反之，L過小時，負載電流i的變化率較大，對給定指令電流跟蹤速度快，器件開關頻率較高.

2.2 電流跟蹤型半橋逆變電路的仿真

PSIM是美國Powersim公司研制的，具有用戶界面友好、仿真速度快、波形解析等功能，為電力電子電路的解析、控制系統設計、電機驅動研究等有效提供強有力的仿真環境[6-7].由于PSIM具有強大的仿真引擎，PSIM高效的算法克服了其他多數仿真軟件的收斂失敗、仿真時間長的問題，因此，本系統采用PSIM作為仿真平臺.

采用PSIM軟件搭建的單相半橋逆變電路仿真模型如圖3所示，功率器件采用全控型電力電子器件IGBT，控制電路采用滯環比較方式的電流跟蹤控制技術.當輸入直流電u=20V時，負載電阻R=0.1Ω，實際電流與給定電流最大偏差△I=±0.5，即環寬為1，電抗器L=10mH時，給定指令電流與輸出電流波形如圖4所示.藍色曲線代表給定指令電流信號I1，該波形為正弦波，紅色曲線代表半橋逆變器的輸出電流波形Io.通過仿真波形可以看出，輸出電流呈鋸齒狀跟蹤給定指令電流信號，跟蹤速度慢，跟蹤誤差大，開關頻率低;如果在相同輸入、環寬和負載條件下，L減小10倍至1mH時，仿真波形如圖5所示，輸出電流跟蹤給定輸入電流的速度變快，因為電抗器L變小，開關頻率高，跟蹤速度變快.

當改變環寬為0.1時，如果在相同輸入和負載條件下，電抗器L=10mH時，給定指令電流與輸出電流波形如圖6所示，輸出電流跟蹤輸入電流誤差小，跟蹤速度變快，開關頻率高.在此基礎上，如果L減小10倍或100倍，即L分別為1mH或0.1mH時，仿真波形如圖7和圖8所示，L變小時，電流變化率變化過大，開關動作頻率過高，也會影響跟蹤效果.因此，電抗器參數大小和滯環比較器環寬大小直接影響電流跟蹤控制的速度、跟蹤誤差大小和功率器件的開關頻率，進而決定逆變器的控制效果.

3 結束語

電流跟蹤型的滯環比較控制是一種非線性控制技術，應用于逆變器的控制，不僅能夠完成將直流電轉換為交流電的功能，而且具有結構簡單、實時控制性強、跟蹤速度快、魯棒性好等優點.通過PSIM仿真分析，可知負載電流跟蹤給定指令信號速度的快慢，受電抗器參數與環寬大小的制約;環寬過寬時，電抗器感抗過大時，跟蹤速度較慢，跟蹤誤差大，開關頻率低，開關損耗小;環寬較窄時，電抗器感抗過小時，跟蹤速度較快，跟蹤誤差小，又可能會造成功率開關器件的開關頻率過高，開關損耗大.因此，針對實際應用情況，選擇合適的參數是非常重要的.該控制方法不僅可以控制單相逆變器，還可以用于三相逆變器的控制，其波形與單相波形相同，不同之處在于每相波形之間互差120°.此外，也為其他非線性系統控制提供了有力參考.

參考文獻：

〔1〕張興，黃海宏.電力電子技術（第二版）[M].北京：科學出版社，2018.

〔2〕王兆安，劉進軍.電力電子技術（第五版）[M].北京：機械工業出版社，2009.

〔3〕趙鋼，邵廣時.雙滯環空間矢量電流控制的三電平有源濾波器[J].電力系統及其自動化學報，2018，30（04）：131-136.

〔4〕江友華，江相偉，錢彥，等.基于滯環控制的電氣化鐵路功率調節器的研究[J].電力電子技術，2018，52（03）：97-100.

〔5〕張墻，劉慧，孫濤，等.有源電力濾波器的PR+滯環電流控制策略研究[J].自動化儀表，2019，40（01）：20-23.

〔6〕艾永樂，李帥.基于PSIM的單相H橋三電平性能研究[J].武漢大學學報（工學版），2019，52（04）：337-343.

〔7〕柯奕辰，陳國初，許移慶，等.基于PSIM和MATLAB的電路聯合仿真[J].現代計算機，2019（25）：92-95.