AC/AC變換器在不同控制策略下的仿真研究

管添益，張智祿，黃 鵬，周 園

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214000）

0 引 言

AC/AC變換是電能變換的一種，通過調(diào)節(jié)輸入電壓，可以實(shí)現(xiàn)交流量幅值和相位的改變。實(shí)現(xiàn)AC/AC電能直接變換的方法通常有兩種：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)和靜止變流器。前者是通過各類型電機(jī)組接連實(shí)現(xiàn)；后者是通過半導(dǎo)體功率器件來實(shí)現(xiàn)[1，2]。隨著社會(huì)發(fā)展，電氣設(shè)備越來越傾向于功率密度大、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，靜止變流器的優(yōu)勢(shì)則更加明顯。目前，基于靜止變流器的AC/AC變換器擁有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如交流穩(wěn)壓場(chǎng)合、交流調(diào)壓場(chǎng)合。

1 控制策略介紹

1.1 正弦脈寬脈位調(diào)制

正弦脈寬脈位調(diào)制方法在單相逆變器中擁有著出色的表現(xiàn)。在AC/AC變換器領(lǐng)域中，陳道煉教授進(jìn)行了深入地研究，并提出了相關(guān)的理論與實(shí)踐操作方法。進(jìn)行仿真時(shí)，其主電路如圖1所示。

圖1 AC/AC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在該拓?fù)渲?，?duì)開關(guān)管的觸發(fā)控制采用單極性移相控制的方法。其反饋控制采用電壓?jiǎn)苇h(huán)瞬時(shí)值比較的方法，過程在于將輸出電壓的瞬時(shí)值作為反饋量，與標(biāo)準(zhǔn)正弦波的瞬時(shí)值做比較，其差值通過PI控制器得到偏差量，該偏差量與其反相量與三角波進(jìn)行比較獲得正弦脈寬脈位調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Position Modulation，SPWPM）波，由此來獲得主電路中每一個(gè)開關(guān)管的觸發(fā)信號(hào)[3]。在主電路輸入有諧波的情況下，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，通過改變開關(guān)管的觸發(fā)信號(hào)可改變超前臂與滯后臂之間的移相角，從而就能改變電路的占空比，達(dá)到控制占空比來降低輸出電壓諧波含量的要求。

1.2 正弦波絕對(duì)值調(diào)制

第二種控制策略是在第一種反饋控制策略的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的，仍舊采用瞬時(shí)PI控制的方法，但與前一種控制策略的不同之處在于其對(duì)反饋量取絕對(duì)值[4，5]。

進(jìn)行仿真時(shí)，該反饋控制策略主電路與圖1一致，并且在對(duì)開關(guān)管的觸發(fā)控制上仍采用單極性移相控制的方法。其反饋控制采用電壓?jiǎn)苇h(huán)瞬時(shí)值和絕對(duì)值比較的方法，過程在于將輸出電壓的瞬時(shí)值作為反饋量，與標(biāo)準(zhǔn)正弦波的瞬時(shí)值做比較，輸出電壓的反饋量與標(biāo)準(zhǔn)正弦波都需要取絕對(duì)值，通過PI控制器后的偏差量也取絕對(duì)值[5]。該偏差量的絕對(duì)值與三角波進(jìn)行比較獲得SPWM波，由此獲得主電路中每一個(gè)開關(guān)管的觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)輸入有諧波時(shí)，通過輸出與標(biāo)準(zhǔn)正弦波比較，其誤差值最終可調(diào)節(jié)占空比的大小，即可進(jìn)行電壓補(bǔ)償。

1.3 基于d-q變換的雙閉環(huán)控制

第三種控制策略則采用了一種構(gòu)造補(bǔ)償函數(shù)的方法來消除諧波。假設(shè)網(wǎng)側(cè)的輸入電壓為基波與高次諧波的表達(dá)式，將其進(jìn)行傅里葉分解，如下式所示：

開關(guān)函數(shù)f(t)的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式可由下式表示：

利用開關(guān)函數(shù)和輸入電壓表達(dá)式，根據(jù)輸入輸出關(guān)系，可以得到輸入帶有諧波分量時(shí)的輸出電壓表達(dá)式。又已知在穩(wěn)態(tài)的時(shí)候開關(guān)函數(shù)即為恒定的占空比，但由于有諧波的存在，需對(duì)占空比進(jìn)行補(bǔ)償［7］。設(shè)置開關(guān)函數(shù)的補(bǔ)償函數(shù)，要求輸出時(shí)無諧波，則可以得到補(bǔ)償函數(shù)的表達(dá)式。通過構(gòu)造補(bǔ)償函數(shù)則可以消除電路中使輸出發(fā)生畸變的諧波［7］。

2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，為測(cè)試其諧波抑制的能力，向輸入電壓注入低次諧波（高次諧波可由無源器件濾除），輸入電壓諧波含量統(tǒng)一為23.19%，其輸入、輸出波形分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 采用正弦脈寬脈位調(diào)制策略

圖3 采用正弦波的絕對(duì)值作為調(diào)制波的調(diào)制策略

圖4 基于d-q變換進(jìn)行的雙閉環(huán)控制策略

現(xiàn)將3種反饋控制策略的各項(xiàng)性能列表比較如下。表中列出了輸入輸出諧波含量、輸入輸出電壓幅值以及基準(zhǔn)值各項(xiàng)內(nèi)容，如表1所示

表1 3種不同反饋控制策略性能比較

3 結(jié) 論

由此可見，文中的3種控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)。正弦脈寬脈位調(diào)制方式簡(jiǎn)單，但去除諧波，效果略差。采用正弦波的絕對(duì)值作為調(diào)制波的調(diào)制策略，去除諧波時(shí)效果較好，但輸出電壓的幅值不能完全跟隨給定，有穩(wěn)態(tài)靜差。而基于d-q變換的雙閉環(huán)反饋控制的控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。但是由于采用的PI控制器對(duì)直流跟隨性能最好，所以雙閉環(huán)控制的PI參數(shù)較好設(shè)置，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無靜差控制。