基于電流預(yù)測和虛擬過采樣的數(shù)字滯環(huán)控制

劉全偉 鄧 焰 胡義華 何湘寧

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027）

1 引言

分布式發(fā)電單元如太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電、微型燃氣輪機發(fā)電等形式是現(xiàn)代微電網(wǎng)的重要組成部分[1]。這些發(fā)電形式都需要通過并網(wǎng)變換器將所產(chǎn)生的電能送入微電網(wǎng)。并網(wǎng)變換器的主要控制目標之一就是并網(wǎng)電流波形的質(zhì)量，即保證并網(wǎng)電流的功率因數(shù)為1 且總的諧波畸變率低。

目前常見的并網(wǎng)變換器控制方法有滯環(huán)控制、三角載波比較PWM 控制、定時比較控制、無差拍控制、重復(fù)控制和單周控制等[2-14]。三角載波比較PWM 控制并網(wǎng)電流跟蹤速度較慢；定時比較方法控制精度相對較低；無差拍控制以及重復(fù)控制都是基于被控對象精確數(shù)學(xué)模型建立的，其性能很大程度上依賴于被控對象模型的精度，而逆變器運行的開關(guān)特性以及死區(qū)時間等因素很難建立逆變器的精確模型；單周控制器由于復(fù)位脈沖存在延時，因此逆變器輸出端存在直流偏置，而直流分量的存在會導(dǎo)致并網(wǎng)隔離變壓器飽和，若加入電壓補償后系統(tǒng)較為復(fù)雜，且補償量的大小和直流輸入量有關(guān)[15]。

滯環(huán)控制不需要變換器的精確模型，且是無條件穩(wěn)定的，因而比較適合于作為并網(wǎng)逆變器的控制器。然而傳統(tǒng)的滯環(huán)控制方法也存在明顯的缺點，如開關(guān)頻率不固定，如式（1）所示，以及濾波器設(shè)計困難、滯環(huán)寬度難以確定等；其半周期開關(guān)次數(shù)總和如式（2）所示，最大開關(guān)頻率如式（3）所示。文獻[3]提出了三態(tài)滯環(huán)的控制策略，其最大開關(guān)頻率和總開關(guān)頻率只有兩態(tài)滯環(huán)控制的 1/4。文獻[16-18]都用不同的方法提出了變滯環(huán)寬度的恒頻控制策略，其滯環(huán)寬度如式（4）所示。文獻[15]提出了恒頻固定滯環(huán)寬度的控制策略。文獻[19]在功率因數(shù)校正中設(shè)計了電流脈動最小化的數(shù)字滯環(huán)控制策略。文獻[20]提出了開通時間預(yù)測的數(shù)字滯環(huán)控制策略，但該方法需要在一個開關(guān)周期內(nèi)過采樣才能取得較好的實驗波形。

每半個正弦周期開關(guān)次數(shù)總和為

最大開關(guān)頻率為

式中，ug為電網(wǎng)交流電壓；H為滯環(huán)寬度；L為濾波電感；fh為開關(guān)頻率；Udc為母線電壓。

當(dāng)式（1）中Udc、H、L固定時，網(wǎng)側(cè)電壓ug呈現(xiàn)正弦規(guī)律變化，在ug瞬時值較小時（即過零點附近）開關(guān)頻率較高。為降低開關(guān)管頻率，可以通過降低逆變器輸入電壓、增大滯環(huán)寬度以及增大電感量等方法來實現(xiàn)。但增大電感不僅會增加變換器的體積和成本，還會降低電流跟蹤的快速性；增大滯環(huán)寬度會增加輸出波形諧波含量。此外，在實際利用數(shù)字控制器實現(xiàn)滯環(huán)控制時，由于受采樣頻率限制，在采樣時間內(nèi)會出現(xiàn)電流上升或下降過沖，使滯環(huán)寬度在一定時間范圍內(nèi)失效，從而導(dǎo)致諧波比預(yù)期值大而無法滿足工程要求。

為了克服上述普通數(shù)字滯環(huán)控制方法所存在的不足，本文在普通數(shù)字滯環(huán)控制的基礎(chǔ)上提出了一種基于電流預(yù)測的數(shù)字滯環(huán)控制方式，并采用虛擬過采樣的方法來彌補采樣頻率有限的不足。通過對電流的預(yù)測，選取跟隨誤差最小的開關(guān)組合作為下一拍的開關(guān)狀態(tài)，從而提高輸出電流波形質(zhì)量。文中簡述了前級為直流三電平結(jié)構(gòu)的并網(wǎng)逆變器的工作原理；闡述了基于電流預(yù)測的數(shù)字滯環(huán)控制的原理；分析了采樣頻率對數(shù)字滯環(huán)控制的影響，并將虛擬過采樣方法引入到本文所提出的數(shù)字滯環(huán)控制中，同時用仿真分析進行了驗證；最后通過實驗驗證了本文所提出的控制方法的正確性。

2 直流三電平并網(wǎng)逆變器

直流三電平并網(wǎng)逆變器拓撲如圖1a 所示，其中直流電壓U1＜U2，通過開通或者關(guān)斷S1和S2組合可以實現(xiàn)輸出0（S1、S2都關(guān)斷）、U1（S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷）、U2（S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通）、U1+U2（S1、S2都導(dǎo)通）四個電平，如圖1b～圖1e 所示。由S3、VDs3、S4、VDs4、S5、VDs5、S6、VDs6，構(gòu)成電流型工頻換相橋。

圖1 并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Grid-connected inverter topology

3 電流預(yù)測滯環(huán)控制

在圖1 所示的三電平并網(wǎng)逆變器電路中，由開關(guān)管S1、S2的不同開通、關(guān)斷組合，可以給工頻換相橋前端濾波電感L施加四種不同的直流電平，分別為0、U1、U2、U1+U2。濾波電感L的另一端通過工頻換相橋連接至電網(wǎng)。電感電流的變化率由其兩端的電壓差所決定，如式（5），即由前端直流三電平結(jié)構(gòu)的輸出電平與電網(wǎng)電壓共同決定。

當(dāng)S1與S2組合出四種不同的電平時，電感L的電流變化率有四種不同的值，見表1。

表1 直流三電平不同開關(guān)模態(tài)組合情況Tab.1 Different switching mode combinations

在第k拍采樣點時，根據(jù)采樣的電感電流Ig(k)、電網(wǎng)電壓Ug(k)以及可能出現(xiàn)的四種不同直流電平，可以計算出在第k+1 拍時，電感電流可能的四種值，即圖2 中所示的四個預(yù)測電流Ip1(k+1)～Ip4(k+1)。如式（6）所示，當(dāng)Uab(k)分別為0、U1、U2、U1+U2時，第k+1 拍電感電流Ig(k+1)將有四種可能的值。

式中，Ig(k)為第k拍電感電流采樣值，ug(k)為第k拍的電網(wǎng)電壓采樣值，Uabi(k)為第k拍第i種開關(guān)組合所對應(yīng)的直流電壓，Ipi(k+1)為第k+1 拍第i種電感電流預(yù)測值，ΔT為采樣周期。

圖2 基于電流預(yù)測的滯環(huán)控制Fig.2 Current prediction hysteresis control

為了使電感電流更精確地跟蹤電流參考值Iref，應(yīng)在第k+1 拍的四種可能的電感電流值中選取最接近Iref(k+1)所對應(yīng)的開關(guān)組合。即選取第i種開關(guān)組合，使得式（7）最小，由此可以確定第k拍的S1、S2的開關(guān)模態(tài)。

同理，在第k+1 拍采樣點時，按照相同的方法，可以計算出最優(yōu)的開關(guān)組合作為第k+1 拍的S1、S2的開關(guān)模態(tài)。

圖3 電流預(yù)測滯環(huán)控制仿真波形Fig.3 Current prediction hysteresis control simulation waveforms

圖3 所示為上述基于電流預(yù)測的數(shù)字滯環(huán)控制的仿真波形，其中電感電流指令為工頻正弦波半波?？梢钥吹?，電感電流為光滑的正弦半波，直流三電平輸出電壓Uab和前述理論分析一致，共有四個電平值，其分布規(guī)律類似于多電平SPWM 調(diào)制。

上述仿真分析表明，本文所提出的基于電流預(yù)測的數(shù)字滯環(huán)控制針對有多個電平的變換器是非常有效的，它能根據(jù)預(yù)測的電流值選擇最優(yōu)的開關(guān)組合，從而使得實際電流以誤差最小的方式跟蹤電流指令值。

4 基于電流預(yù)測和虛擬過采樣的數(shù)字滯環(huán)控制

在實際的數(shù)字滯環(huán)控制中采樣頻率對控制性能起著重要的作用。針對本文所提出的電流預(yù)測滯環(huán)控制，每一拍電感電流增量為

當(dāng)控制程序根據(jù)電流預(yù)測算法給出最優(yōu)開關(guān)組合后，Uabi(k)已確定?？梢钥吹剑藭r電流的波動值仍然受采樣周期ΔT的限制。當(dāng)采樣周期較大時，最終使得電感電流紋波仍然較大，難以獲得理想的控制性能，后文中實驗驗證也充分表明了這一點。

為了解決控制性能和采樣頻率限制這一對矛盾，本文在電流預(yù)測滯環(huán)控制的基礎(chǔ)上，引入了虛擬過采樣算法。如圖4 所示，在兩個真實的采樣點之間，插入m個虛擬采樣點，在虛擬采樣點并不進行反饋信號的采樣，而是用式（6）給出的電感電流預(yù)測值代替真實的電感電流反饋值，繼續(xù)進行電流預(yù)測滯環(huán)控制。到下一個真實采樣點時，又按照真實的電流采樣值進行電流預(yù)測控制，從而可以提高等效采樣頻率，進一步改善控制性能，提高電感電流波形的質(zhì)量。

圖4 基于電流預(yù)測和虛擬過采樣的數(shù)字滯環(huán)控制Fig.4 Current prediction and virtual over-sampling based hysteresis control

從圖4 中可以看到，在真實采樣點之間插入虛擬采樣點后，在不提高采樣頻率的條件下，電感電流紋波變得更小，能夠更加精確地跟蹤電流指令值。圖5 給出了基于電流預(yù)測和虛擬過采樣的數(shù)字滯環(huán)控制仿真分析波形。可以看到，在采樣頻率不變的前提下，圖5 中的等效開關(guān)頻率較圖3 中的高，電感電流開關(guān)紋波更小，波形質(zhì)量改善明顯。

圖5 電流預(yù)測和虛擬過采樣的數(shù)字滯環(huán)控制仿真波形Fig.5 Current prediction and virtual over-sampling based hysteresis control simulation waveforms

5 實驗驗證

為了驗證本文所提出的控制算法，研制了一臺實驗樣機。電路結(jié)構(gòu)如圖1a 所示，以TMS320LF2812為控制器，實現(xiàn)本文提出的控制策略。主電路中S1和S2所用開關(guān)管為IRFP460，輸入電容C1和C2為400V/450μF，VDs3～VDs6所用二極管為MUR1560，電感L為2.5mH，電壓U1、U2分別為120V、240V。以下數(shù)字滯環(huán)控制采樣頻率均為33.3kHz。

將S1與S2同時開通關(guān)斷來實現(xiàn)普通兩態(tài)數(shù)字滯環(huán)控制，當(dāng)S1與S2同時開通時，電壓Uab等于母線電壓U1+U2，當(dāng)S1與S2同時關(guān)斷時電壓Uab=0。圖6a是傳統(tǒng)兩態(tài)數(shù)字滯環(huán)控制的并網(wǎng)電流波形，圖6b是其放大波形，其中通道1和2 分別是S1和S2的開關(guān)信號，通道3是并網(wǎng)電流，圖6c是并網(wǎng)電流的諧波頻譜。從圖中可以看出兩態(tài)數(shù)字滯環(huán)控制受采樣頻率和環(huán)寬的限制，電流紋波較大，并網(wǎng)電流THD 較大。

圖6 普通兩態(tài)滯環(huán)控制實驗結(jié)果Fig.6 Hysteresis control experimental waveforms

圖7 示出了本文所提出的電流預(yù)測滯環(huán)控制算法的實驗波形。圖7a是并網(wǎng)電流波形，圖7b是其放大波形，其中通道1和2 分別是S1和S2的開關(guān)信號，通道3是并網(wǎng)電流，圖7c是并網(wǎng)電流的諧波頻譜?？梢钥吹?，圖7a 中并網(wǎng)電流為比較光滑的正弦波，與圖3 中所示的仿真結(jié)果較為吻合，表明電流預(yù)測滯環(huán)控制算法的正確性；從圖7b 的放大波形與圖6b 的對比中可以看到，本文所提出的電流預(yù)測滯環(huán)控制算法可以明顯改善電流波形。然而受限于采樣頻率，電感電流仍含有一定量的諧波。

圖7 電流預(yù)測滯環(huán)控制實驗結(jié)果Fig.7 Current prediction hysteresis control experimental results

圖8 基于電流預(yù)測和虛擬過采樣的數(shù)字滯環(huán)控制實驗結(jié)果Fig.8 Current predict and virtual over-sampling hysteresis control experimental results

圖8 示出了基于電流預(yù)測和虛擬過采樣算法的數(shù)字滯環(huán)控制的實驗波形。實驗程序在33.3kHz 采樣頻率的基礎(chǔ)上，每兩個真實采樣點之間插入一個虛擬過采樣點?？梢钥吹?，在電流預(yù)測滯環(huán)控制的基礎(chǔ)上，引入虛擬過采樣彌補采樣頻率較低的不足可以有效改善控制器的性能。從圖7和圖8 的對比中可以明顯看出，在相同的采樣頻率下，加入虛擬過采樣后的電流預(yù)測滯環(huán)控制可以較好的改善電流波形。同時，等效開關(guān)頻率也有所提高。

表2 為這三種數(shù)字滯環(huán)控制算法在相同的采樣頻率下的并網(wǎng)電流THD?？梢钥吹剑娏黝A(yù)測滯環(huán)算法可以顯著減小并網(wǎng)電流THD，加入虛擬過采樣算法后，可以進一步減小并網(wǎng)電流THD。

表2 三種滯環(huán)算法控制性能Tab.2 Performance of three type of hysteresis control

上述實驗結(jié)果中，在相同的采樣頻率下，傳統(tǒng)數(shù)字滯環(huán)控制受限于滯環(huán)帶寬與電流變化率，等效開關(guān)頻率較低，且Uab只有兩個電平，電流紋波很大，圖6c 也顯示出該控制策略下并網(wǎng)電流含大量的低次諧波；基于電流預(yù)測的數(shù)字滯環(huán)控制優(yōu)化了直流級的開關(guān)組合，使得并網(wǎng)電流以誤差最小的方式跟蹤指令電流，且Uab被控制為多電平形式，因而該控制策略下并網(wǎng)電流諧波相對于傳統(tǒng)滯環(huán)控制有較大的改善，圖7c 中的低次諧波大為減??；加入了虛擬過采樣算法的數(shù)字滯環(huán)控制算法使得實際采樣頻率不變的情況下，等效采樣頻率得以提高，因而并網(wǎng)電流諧波得到進一步改善，圖7c和圖8c 的對比可以看到虛擬過采樣算法的加入可以進一步降低諧波含量。

6 結(jié)論

本文研究了一種基于電流預(yù)測和虛擬過采樣算法的數(shù)字滯環(huán)控制策略，并對其進行了仿真分析和實驗驗證，結(jié)論如下：

（1）在具有多個輸出電平的變換器控制中，根據(jù)預(yù)測的電流值選擇最優(yōu)的開關(guān)組合，從而使得實際電流以誤差最小的方式跟蹤電流指令值。該算法無需設(shè)置滯環(huán)環(huán)寬，算法簡單易行。

（2）在真實采樣頻率有限的情況下，根據(jù)變換器模型的計算值，在每兩個真實采樣點之間插入多個虛擬采樣點，實現(xiàn)虛擬過采樣，可以提高等效采樣頻率，改善輸出波形質(zhì)量。

本文所提出了基于電流預(yù)測和虛擬過采樣算法的數(shù)字滯環(huán)控制方法不僅適用于本文的拓撲結(jié)構(gòu)，對具有多個輸出電平的其他類型變換器同樣具有普適性。

[1]Lasseter R H.Micro grids[C].IEEE Power Engineering Society Winter Meeting,2002:305-308.

[2]王建華,張方華,龔春英,等.滯環(huán)電流控制逆變器建模及分析[J].電工技術(shù)學(xué)報,2010,25(6):63-69.Wang Jianhua,Zhang Fanghua,Gong Chunying,et al.Modeling and analysis of inverter with hysteretic current control[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25(6):63-69.

[3]顧和榮,楊子龍,鄔偉揚.并網(wǎng)逆變器輸出電流滯環(huán)跟蹤控制技術(shù)研究[J].中國電機工程學(xué)報,2006,26(9):108-112.Gu Herong,Yang Zilong,Wu Weiyang.Research on hysteresis-band current tracking control of gridconnected inverter[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(9):108-112.

[4]洪峰,劉軍.滯環(huán)電流控制型雙 BUCK 逆變器[J].電工技術(shù)學(xué)報,2004,19(8):73-77.Hong Feng,Liu Jun.Hysteresis current controled dual buck half bridge inverter[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2004,19(8):73-77.

[5]范小波,張代潤.光伏并網(wǎng)逆變器數(shù)字滯環(huán)控制的研究[J].電力電子技術(shù),2006,40(6):46-48.Fan Xiaobo,Zhang Dairun.Research on digital hysteresis control for grid-connected PV inverter[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2006,40(6):46-48.

[6]Krismadinata,Rahim N A,Selvaraj J.Implementation of hysteresis current control for single-phase grid connected inverter[C].7th International Conference on Power Electronics and Drive Systems,2007:1097-1101.

[7]Maswood A I,Liu Fangrui.A unity-power-factor converter using the synchronous reference frame based hysteresis current control[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2007,43(2):593-599.

[8]魏克新,紀世忠,于洋.三相PWM 整流器滯環(huán)控制改進方法的研究[J].電力電子技術(shù),2011,45(9):114-116.Wei Kexin,Ji Shizhong,Yu Yang.Research on improved hysteresis control strategy of three-phase PWM rectifier[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,45(9):114-116.

[9]劉飛,查曉明,周彥,等.基于極點配置與重復(fù)控制相結(jié)合的三相光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)策略[J].電工技術(shù)學(xué)報,2008,23(12):130-136.Liu Fei,Zha Xiaoming,Zhou Yan,et al.Research on grid-connected strategy combining pole-assignment and repetitive control in three-phase photovoltaic system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2008,23(12):130-136.

[10]Yang Chen,Smedley K M.A cost-effective singlestage inverter with maximum power point tracking[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2004,19(5):1289-1294.

[11]Femia N,Granozio D,Petrone G,et al.Optimized one-cycle control in photovoltaic grid connected applications[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2006,42(3):954-972.

[12]蔣立,鄭建勇.Z 源光伏并網(wǎng)直接電流單周控制系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,32(22):87-90.Jiang Li,Zheng Jianyong.A direct current one-cycle control method for Z-source grid-connected photovoltaic system[J].Automation of Electric Power Systems,2008,32(22):87-90.

[13]周雒維,龔偉,蘇向豐.一種改進的單周控制的開關(guān)功率放大器[J].電工技術(shù)學(xué)報,2004,19(5):106-110.Zhou Luowei,Gong Wei,Su Xiangfeng.An improved switching power amplifier with one cycle control[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2004,19(5):106-110.

[14]唐欣,羅安.基于重復(fù)控制的有源濾波器的三態(tài)滯環(huán)控制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報,2009,24(9):134-139.Tang Xin,Luo An.Repetitive control based threestate hysterisis control of a single-phase active filter[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24(9):134-139.

[15]Ho C N M,Cheung V S P,Chung H S H.Constantfrequency hysteresis current control of grid-connected VSI without bandwidth control[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(11):2484-2495.

[16]Buso S,Fasolo S,Malesani L,et al.A dead-beat adaptive hysteresis current control[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2000,36(4):1174-1180.

[17]Genping Wang,Lingzhi Yi,Xiao Zou,et al.The design of constant frequency hysteresis current controller with voltage space vector in PV gridconnected inverter[C].Automation Congress 2008,WAC 2008 World,2008:1-5.

[18]洪峰,單任仲,王慧貞,等.一種變環(huán)寬準恒頻電流滯環(huán)控制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報,2009,24(1):115-119.Hong Feng,Shan Renzhong,Wang Huizhen,et al.A varied hysteresis-band current controller with fixed switching frequency[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24(1):115-119.

[19]胡慶波,瞿博,呂征宇.一種新穎的應(yīng)用于PFC 電路中電流控制的方法[J].中國電機工程學(xué)報,2006,26(3):64-68.Hu Qingbo,Qu Bo,Lü Zhengyu.A novel method for current control used in PFC converter[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(3):64-68.

[20]Stefanutti W,Mattavelli P.Fully digital hysteresis modulation with switching-time prediction[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2006,42(3):763-769.