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考虑延时的逆变器滞环电流控制研究
来源:电子技术应用2013年第9期
赵 杰1,洪 峰2
1.江苏联合职业技术学院 扬州分院,江苏 扬州225003; 2.南京航空航天大学 电子信息工程学院,江苏 南京210016
摘要:滞环电流控制方法是电力电子及电力传动中应用最多的控制方案之一。以往对这种方法的分析忽略了延时等非理想环节的影响,因而存在一定的误差。详细分析了考虑延时的滞环电流控制物理过程,以及延迟环节、环宽、电流改变量、开关频率等关键参数之间的定量关系,揭示了其内在规律。通过试验验证了理论分析与计算方法的正确性。
中图分类号:TM464
文献标识码:A
章编号: 0258-7998(2013)09-0070-04
Research on hysteresis current control of inverter taking delay link into account
Zhao Jie1,Hong Feng2
1.Yangzhou Campus, Jiangsu Union Technical Institute, Yangzhou 225003,China; 2.CEIE, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016,China
Abstract:Hysteresis current control method play an important role in power electronics and power transmission. Research in detail on hysteresis current control taking delay link into account, which was always ignored in traditional analysis, was proposed in this paper. The physical process of hysteresis current control and relationship along key parameters such as hysteresis band, inductance and switching frequency were revealed. Experiment has been carried out to prove the analysis.
Key words :inverter;current control;hysteresis

滞环电流控制是一种简单的Bang-Bang控制方案,易于实现,且具有很强的鲁棒性和快速响应能力,广泛应用于逆变电源[1]、有源滤波[2]、电机控制[3]、并网发电[4]等场合。但滞环电流控制的主要缺点是开关频率不固定。准确掌握开关频率的分布范围是进行电路(特别是滤波器)设计与优化、谐波分析、损耗计算的基础,具有重要研究意义。现有滞环电流控制频率分析方法[5-8],忽略了一些非理想环节(如延时环节)的影响,同真实情况间存在较大误差。参考文献[5-8]等直接给出的仿真与实验结果,缺乏与频率理论计算的相互验证。本文将对逆变器滞环电流控制进行更准确的分析:首先分析考虑延时环节后滞环电流控制的详细物理过程;得出延时环节对实际电流改变量及瞬时开关频率的影响与表达式;与实验结果相验证。

1 考虑延时两态滞环电流控制分析
在图1典型电路的基础上进行分析。Ud为输入电压,开关S1、S2构成半桥型桥臂,桥臂中点A输出的调制波经L、C滤波后得到正弦电压输出。采用电压外环电流内环(滞环)双环控制策略。
图1中,电感电流iL经反馈电路后转变为电感电流反馈信号iLs,设反馈系数为Kif,则iLs=Kif iL;iLs与电流基准(电压环输出)iR相减得电流误差信号ie;ie再经滞环比较器得到PWM信号,驱动主电路功率管开关,控制电感电流在设定的正负环宽内。当ie大于正环宽时,滞环比较器输出低电平,逆变桥中点A输出-1态,电感电流下降;当ie低于负环宽时,滞环比较器输出高电平,逆变桥中点A输出+1态,电感电流上升,总保持ie在正负环宽内。



2 环宽、电流改变量的实验验证与分析
由以上分析,可以得出以下一些推论:
(1)由于实际系统延时环节的影响,实际电流改变量将大于设定的滞环环宽量值。
(2)Δh取值较大时,延时环节的影响可以忽略不计;但当Δh取值较小时,延时环节在式(5)和式(6)中所占的比重很大,在两态滞环电流控制分析与设计中必须加以考虑。
(3)环宽对电流改变量的控制是有限的,环宽减小到一定程度后,延时环节将起主要作用;电流改变量无法取很小的值,至少要大于Δi1+Δi2。
通过原理样机试验结果验证以上推论。主电路采用双buck逆变器[10]。该电路由两个buck直流变换器组合得到,各提供一半的电感电流,其详细原理不再赘述。样机参数如下:直流侧输入母线电压Ud=±180 V,输出单相110 V/400 Hz,反馈系数KiL=0.333 Ω。电流采样使用LEM器件LA100-P,查阅其电气参数,采样延时σ1=50 ns。实测系统控制延时σ2=4 μs。滞环比较器电路如图1所示,环宽为:

这里需要先做如下说明:
(1)环宽较大时,为维持输出电压波形质量,第①组使用电感值大于后三组。
(2)表1对应实验波形如图4所示。图4(a)、图4(b)中,uo为逆变器输出电压,iL1为正半周电感电流,uA、uB分别为双buck逆变器两个桥臂中点输出的调制波形。iLS为电感电流反馈,有iLs=KiL ΔiL,由于反馈系数KiL量纲为Ω,电流反馈iLs已转变为电压信号,单位V;g2为双buck逆变器负半周开关管的驱动波形。
(3)为了与图4实验波形保持一致,便于直观比较,第①组数据计算的是电感电流改变量ΔiL((单位:A);第②、③、④组数据计算的是电感电流反馈改变量ΔiLs,ΔiLs=KiL ΔiL(单位:V)。

(4)传统分析中,电流反馈改变量即为滞环环宽,表1中Δh亦表征传统方法计算结果。
由表1、图4可验证前述推论:
(1)实际电流改变量大于设定环宽,本文方法计算结果与实际观测结果基本吻合;传统分析电流改变量计算结果偏低,误差为hσ;
(2)本样机的延时环节(主要是控制延时)造成的电流改变量大于设定环宽Δh的量值,其影响不能忽略不计;
(3)由第②、③、④组数据,设定环宽值所占比重小,设定环宽值减小对电流改变量影响小,延时环节的影响起了主要作用。
3 开关频率计算与实验验证
由于延时环节的影响,瞬时开关周期延长了,各次开关的瞬时开关频率及平均开关频率值均变低。而传统方法计算出的开关频率值必将高于实际值,且在延时环节比重较大时存在较大误差。

本文就延时环节对两态滞环电流控制的影响进行了分析;推导出更吻合实际情形的瞬时开关周期表达式;能较为准确地分析出整个工频周期内各次开关频率。延时环节使得电感电流改变量大于滞环环宽(亦可等效为环宽扩大)。当延时时间折算环宽与设定环宽相当时,其影响不能忽略;当设定环宽减小到一定程度时,延时环节的影响将起主要作用。
瞬时开关周期可分解为两部分,分别由设定环宽和延时环节引起,均与瞬时输出电压的平方相关。该表达式能更准确地反映实际情形。
参考文献
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[3] SRINIVAS P,PRASAD P V N.Voltage control and hysteresis current control of an 8/6 switched reluctance motor[C].Proceedings of the International Conference on Electrical Machines and Systems.Piscataway,NJ,2007.
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[5] SRIKANTHAN S,MISHRA M K,RAO R K V.Improved hysteresis current control of three-level inverter for distribution static compensator application[J].IET Power Electronics,2009,2(5):517-526.
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[9] 洪峰,刘军,严仰光.滞环电流控制型双buck逆变器[J].电工技术学报,2004,19(8):73-77.
[10] 洪峰,嵇保健,杨伟,等.二极管钳位型双Buck三电平逆变器输入均压解耦控制[J].中国电机工程学报,
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