單周控制原理及其應(yīng)用

0 引言

20 世紀(jì)90 年代初，美國(guó)加州理工學(xué)院的K.M.Smedley 博士提出一種大信號(hào)非線性控制理論方法———單周控制理論(One Cycle Control)，它是在開關(guān)放大器的PWM控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。

其突出優(yōu)點(diǎn)是無(wú)論在穩(wěn)態(tài)還是在暫態(tài)情況下，都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于控制參考信號(hào)，即能在一個(gè)周期內(nèi)，有效地抵制電源側(cè)的擾動(dòng)，既沒(méi)有靜態(tài)誤差也沒(méi)有動(dòng)態(tài)誤差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速，對(duì)輸入擾動(dòng)抑制能力強(qiáng)。開關(guān)變換器是脈沖式的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，大多數(shù)采取的控制方案是首先通過(guò)線性化控制方程逼近這個(gè)非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，然后再采用線性反饋技術(shù)進(jìn)行控制。這種方法限制了開關(guān)非線性系統(tǒng)的功能。而單周控制沒(méi)有這種限制，因而得到了學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可，也成為了學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。

單周控制與其它現(xiàn)有PWM控制方法相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好，可適應(yīng)高精度、高速度和高抗干擾的控制要求。單周控制已在DC-DC變換器、功率因數(shù)校正、有源電力濾波器、逆變器、開關(guān)功率放大器、不間斷電源、交流穩(wěn)壓電源、靜止無(wú)功發(fā)生器以及功率放大和光伏電源最大功率點(diǎn)跟蹤控制等方面得到大量應(yīng)用。在國(guó)外，己有公司開始致力于將單周控制模塊化并投入到商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

1 單周控制原理

將單周控制的基本原理應(yīng)用于各種電流控制上，就可以得到電荷控制(Charge Control)，準(zhǔn)電荷控制(Quasi-Charge Control)，非線性載波控制(Nonlinear Carrier Control)和輸入電流整形技術(shù)(Input Current Control)等新型控制技術(shù)。從形式上看電荷控制是電流型的單周期控制，其控制思想是控制開關(guān)的電流量，使之在一個(gè)周期內(nèi)達(dá)到期望值。準(zhǔn)電荷控制也是一種電流型的單周控制。

準(zhǔn)電荷控制是在電荷控制的基礎(chǔ)上，用RC 網(wǎng)絡(luò)代替電荷控制時(shí)電路中的C 網(wǎng)絡(luò)。非線性載波控制的控制電流可為開關(guān)電流、二極管電流或電感電流，從電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上講非線性載波控制技術(shù)是在電荷控制的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)外加的非線性補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在非線性載波控制中當(dāng)電路工作在電流連續(xù)狀態(tài)下，系統(tǒng)就是穩(wěn)定的，而電路工作在斷續(xù)狀態(tài)下，系統(tǒng)是小信號(hào)穩(wěn)定的;另外非線性載波控制工作在斷續(xù)條件下會(huì)產(chǎn)生輸入電流的畸變。輸入電流整形技術(shù)用于檢測(cè)二極管上的電流，從形式上說(shuō)是一種類似于非線性載波控制的控制方案，從控制的實(shí)質(zhì)上講它是平均電流控制的一種反用。

2 單周控制在電力電子領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 單周控制在DC-DC變換器的應(yīng)用

DC-DC變換器將輸入的直流電壓，經(jīng)高頻斬波或高頻逆變后，再經(jīng)整流和濾波環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成所需幅值的直流電壓。因DC- DC 變換器非線性強(qiáng)，所以建立模型相當(dāng)困難，故采用經(jīng)典控制法———電壓型控制技術(shù)和電流型控制技術(shù)難以達(dá)到控制要求。電壓型控制技術(shù)是當(dāng)輸入電源電壓、負(fù)載、功率電路元器件參數(shù)變化時(shí)，只有等到輸出電壓變化后，反饋環(huán)路才能起到調(diào)節(jié)輸出電壓的作用，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢;為了降低系統(tǒng)的靜態(tài)誤差、功率電路的大時(shí)間常數(shù)和控制信號(hào)的傳遞延遲對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的影響，必須采用高增益、寬頻帶的運(yùn)放，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，即系統(tǒng)的靜態(tài)性能、快速性與穩(wěn)定性之間存在矛盾。而電流型控制技術(shù)不能承受持續(xù)的短路，由于在短路輸出時(shí)，誤差放大器已失去了作用，使電路工作于最大占空比，增大了輸入功率;同時(shí)變換器的電路損耗劇增，這是因?yàn)楣β书_關(guān)管的關(guān)斷僅受流過(guò)開關(guān)管上的峰值電流脈沖控制。

單周控制技術(shù)應(yīng)用于DC- DC變換器，具有很強(qiáng)的抗輸入電壓干擾能力，對(duì)短路有保護(hù)功能，可以承受持續(xù)的短路;并且很好地解決了系統(tǒng)的靜態(tài)性能、快速性與穩(wěn)定性之間的矛盾。單周期控制技術(shù)應(yīng)用于DC-DC 變換器，其不足主要在于對(duì)開關(guān)誤差的校正能力有限，系統(tǒng)存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，系統(tǒng)的負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，過(guò)沖嚴(yán)重。

通過(guò)一定的策略可對(duì)輸入電壓和負(fù)載電流擾動(dòng)進(jìn)行抑制，但不能實(shí)現(xiàn)變換器的最優(yōu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。目前只是對(duì)單周期控制的半橋式DC-DC 變換器進(jìn)行了理論分析和系統(tǒng)仿真。

2.2 單周控制在功率因數(shù)校正中的應(yīng)用

功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)是抑制AC 輸入電流發(fā)生波形畸變的主要方法，其使整流二極管的導(dǎo)通角趨于180毅，產(chǎn)生與AC 電壓同相位的AC 輸入正弦波電流，致使系統(tǒng)功率因數(shù)十分接近于1。

PFC 的控制策略按照輸入電感電流是否連續(xù)，分為不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)和連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)。DCM 控制又稱電壓跟蹤方法，它是PFC中簡(jiǎn)單而實(shí)用的一種控制方式，應(yīng)用較為廣泛。

DCM 控制盡管簡(jiǎn)單，但由于器件承受較大的開關(guān)應(yīng)力，所以只能應(yīng)用在小功率范圍。CCM 模式下有直接電流控制與間接電流控制兩種方式。直接電流控制的優(yōu)點(diǎn)是電流瞬態(tài)特性好，自身具有過(guò)流保護(hù)能力，但需要檢測(cè)瞬態(tài)電流，控制電路復(fù)雜。間接電流控制的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需電流傳感,缺點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)性很差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，動(dòng)態(tài)過(guò)程中存在直流電流偏移和很大的電流過(guò)沖。

單周控制PFC 把開關(guān)變量作為輸入電流，控制參考量作為輸入電壓，這樣使輸入電流在單個(gè)周期內(nèi)能跟隨輸入電壓變化，采樣電流也隨電壓信號(hào)變化。從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正目的，功率因數(shù)非常接近于1。采用單周控制可以簡(jiǎn)化控制電路的設(shè)計(jì)，不需要使用乘法器，不用檢測(cè)輸入電壓，使系統(tǒng)更易實(shí)現(xiàn)，并且降低了設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本。

PFC 是單周控制應(yīng)用較成熟的領(lǐng)域之一，在單相和三相功率電路中都得到成功的應(yīng)用，并取得很好的效果。功率已做到了500 W，頻率最大已做到100 kHz。

2.3 單周控制在有源電力濾波器中的應(yīng)用

有源電力濾波器(Active Power Filter, APF)作為一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功功率的新型電力電子裝置，可對(duì)大小和頻率都變化的諧波分量和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。其補(bǔ)償性主要取決于對(duì)畸變電流的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)和逆變器輸出電流的控制策略。單周控制有源濾波器(UCI-APF)是諧波補(bǔ)償?shù)男路较颍c常用的APF相比，UCI-APF 控制方法具有簡(jiǎn)便、采樣通道少、電路成本低、檢測(cè)量少、控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可調(diào)節(jié)功率因數(shù)接近1，故在中小功率場(chǎng)合有推廣價(jià)值。但經(jīng)典的UCI-APF對(duì)電路參數(shù)的依賴性非常大，當(dāng)控制電路積分參數(shù)出現(xiàn)偏差或浮動(dòng)時(shí)，主電路上的進(jìn)線電流將引入直流分量，這嚴(yán)重阻礙其推廣應(yīng)用。

單周控制有源濾波器的控制目標(biāo)是消除諧波并調(diào)節(jié)功率因數(shù)接近1，因此當(dāng)有源濾波器有效工作時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流波形跟蹤電壓波形，整個(gè)系統(tǒng)能夠等效為線性負(fù)載(等效阻抗為Re)，即

由上面分析可見(jiàn)，控制方程可由單周控制的方式實(shí)現(xiàn)，但要求積分速度非常精確。單周控制是一種非線性的占空比調(diào)制方式，其目的是在一個(gè)