單周控制原理及其應(yīng)用

單周控制有源濾波器的缺點(diǎn)是以峰值電流檢測(cè)和比較的方法產(chǎn)生占空比信號(hào)，采用一個(gè)比較器，在整個(gè)正弦波周期內(nèi)都是開關(guān)導(dǎo)通期間電流上升，開關(guān)關(guān)斷期間電流下降，所以存在電流紋波。由于電流的峰值和輸入電壓波形一致，紋波的存在將使平均電流低于標(biāo)準(zhǔn)正弦波電流，從而產(chǎn)生電流直流分量。人們也想了很多改進(jìn)的單周控制方法抑制直流分量，比如單極調(diào)制技術(shù)等。

APF 是單周控制應(yīng)用較成熟的領(lǐng)域之一，目前分為單周控制單相和三相APF，由于不需要檢測(cè)負(fù)載電流、不需要計(jì)算負(fù)載電流的諧波和無(wú)功分量、不需要乘法器和電壓傳感器，從而簡(jiǎn)化了APF的工作原理和結(jié)構(gòu)，因此控制結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，可靠性更高，魯棒性更好。

2.4 單周控制在逆變器中的應(yīng)用

單周控制技術(shù)應(yīng)用于電壓型逆變電路中，給負(fù)載提供所需要的交流電壓源。根據(jù)單周控制原理，用兩個(gè)積分器交互工作解決了積分器的復(fù)位問(wèn)題;再用增加直流偏移量解決實(shí)際電路中遇到的電壓測(cè)量問(wèn)題。對(duì)于逆變電路而言，提高直流電壓利用率可以提高逆變器的輸出能力，減少逆變器開關(guān)的動(dòng)作次數(shù)，就能減少開關(guān)損耗。采用雙積分器單周控制的電壓型逆變電源，其逆變電路硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出電壓幅值和頻率可調(diào)，具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明單周控制技術(shù)是一種較理想的變頻器控制技術(shù)。該技術(shù)直流電壓利用率高，提高了系統(tǒng)的效率;開關(guān)器件工作在定頻率下，降低了諧波損耗，節(jié)約了能源;有較強(qiáng)的抗電源擾動(dòng)能力，使得輸出電壓不受直流電壓波動(dòng)的影響;系統(tǒng)的響應(yīng)快;系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可廣泛用于各類逆變電源，如車載、船載電源等。

但目前單周控制應(yīng)用于逆變器還不成熟，只是對(duì)雙管正激式直流變換器型高頻環(huán)節(jié)DC-AC 逆變器、正反激組合式雙向功率流高頻環(huán)節(jié)DC-AC 逆變器進(jìn)行仿真，研制了一臺(tái)電壓型逆變電源樣機(jī)，電壓幅值范圍可以是0 耀232 V，頻率范圍是0耀100 Hz，輸出波形質(zhì)量高，THD 均在0. 8%以下，最小達(dá)到了0. 2559%。

2.5 單周控制在開關(guān)功率放大器中的應(yīng)用

開關(guān)功率放大器(Switching Power Amplifier)具有效率高、體積小的特點(diǎn)，同時(shí)隨著功率器件水平和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，保真度也得到很大改善，因此在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和研究發(fā)展迅速。

開關(guān)功率放大器的控制方式是影響其性能的關(guān)鍵因素之一。單周控制是一種大信號(hào)非線性PWM 調(diào)制方案，克服了開關(guān)變換器的非線性特性，對(duì)大信號(hào)放大時(shí)畸變較小;單周控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，系統(tǒng)帶寬僅取決于輸出低通濾波器，從而易確定音頻帶寬;單周控制可同時(shí)處理信號(hào)和功率，可自動(dòng)抑制電源紋波，故不需高精度直流電源，事實(shí)上，一經(jīng)整流的不可控電源加上一小電容就可用作開關(guān)音頻功率放大的直流電源，從而進(jìn)一步降低了功率損耗、裝置的復(fù)雜性、大小及成木。實(shí)際工作中，單周控制開關(guān)變換器的復(fù)位脈沖不可能理想，會(huì)使輸出端產(chǎn)生直流偏置，分析表明，直流偏置的大小與復(fù)位脈沖的寬度成正比變化。針對(duì)單周控制的開關(guān)功率放大輸出直流偏置問(wèn)題，提出了一種在比較器的同相輸入端引入補(bǔ)償電壓的解決方案，給出了補(bǔ)償電壓的具體計(jì)算公式。補(bǔ)償前、后開關(guān)放大器仿真和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明，補(bǔ)償后的單周控制開關(guān)功率放大器性能優(yōu)良，有效地解決了補(bǔ)償前的輸出直流偏置問(wèn)題。

單周控制的開關(guān)功率放大器雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于其提出的時(shí)間還不長(zhǎng)，還存在許多需要解決的問(wèn)題。單周控制的開關(guān)功率放大器目前還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大功率的應(yīng)用;同時(shí)，輸出端存在的直流偏置問(wèn)題需要很好的研究和解決。

2.6 單周控制在不間斷電源器中的應(yīng)用

不間斷電源(UPS)不僅是不停電，能讓機(jī)器開機(jī)，還要保護(hù)數(shù)據(jù)的安全性。事實(shí)上，任何信息產(chǎn)品，最終都要保證數(shù)據(jù)在處理、存儲(chǔ)和傳輸?shù)娜^(guò)程中做到高速、準(zhǔn)確、安全。

單周控制的UPS 可分別用雙極性模式和單極性模式兩種方式實(shí)現(xiàn)，采用雙極性模式的UPS 控制電路簡(jiǎn)單，主要由復(fù)位積分器、一個(gè)比較器、觸發(fā)器及時(shí)鐘組成，但在負(fù)載較輕時(shí)易出現(xiàn)直流偏移;單極性操作模式的UPS 雖然需要較為復(fù)雜的電路來(lái)解決輸出電壓過(guò)零點(diǎn)誤差問(wèn)題，但逆變器電源部分只有2 個(gè)開關(guān)工作在較高的開關(guān)頻率，其它2 個(gè)工作在工頻，因此可減小開關(guān)損耗，提高開關(guān)效率，在正、負(fù)半周工作在對(duì)稱情況下，消除了直流偏移。單極性操作模式輸出為正、負(fù)、零3個(gè)等級(jí)的電壓信號(hào)，可有效降低PWM 波形的低次諧波和電磁干擾，減小輸出濾波器的體積。在兩種模式下，單周控制的UPS 工作頻率恒定、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，在負(fù)載電壓變化和輸入電壓畸變時(shí)都表現(xiàn)出很強(qiáng)的魯棒性，輸出電壓畸變較小。目前對(duì)單周控制UPS的研究較少，只處在理論分析和探索中。

2.7 單周控制在靜止無(wú)功發(fā)生器中的應(yīng)用

靜止無(wú)功發(fā)生器簡(jiǎn)稱SVG(Static Var Generator)，也是一種電力電子補(bǔ)償裝置。與靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)不同的是，SVG 通過(guò)發(fā)出無(wú)功功率達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?，不需要大容量的電抗器、電容器等?chǔ)能元件，一般指的是自換相電力半導(dǎo)體橋式變流器型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。

單周期控制的靜止無(wú)功發(fā)生器主要研究?jī)?nèi)容是在對(duì)應(yīng)用單周期控制的靜止無(wú)功發(fā)生器建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析直流側(cè)電壓波動(dòng)和兩電容電壓不平衡的原因，結(jié)合單周期控制法提出了一種有效、簡(jiǎn)單的解決辦法。該方法的進(jìn)展現(xiàn)在處于系統(tǒng)的仿真階段。

2.8 單周控制在交流穩(wěn)壓電源中的應(yīng)用

在交流穩(wěn)壓電源(AC Stabilizer)中，補(bǔ)償式電源有其比較突出的優(yōu)點(diǎn)。由于補(bǔ)償式電源所采用的電力變換器的容量按照補(bǔ)償功率選取，容量要比電源的額定值小很多，所以與其他類型的穩(wěn)壓電源相比，有更好的經(jīng)濟(jì)效益和體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源補(bǔ)償電壓的調(diào)節(jié)方式有下列三種：

1)采用多抽頭變壓器，用雙向晶閘管調(diào)節(jié)補(bǔ)償電壓，補(bǔ)償電壓有級(jí)差。

2)通過(guò)機(jī)電式機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)自耦變壓器的觸頭來(lái)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電壓，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢。

3)采用交流斬控技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電壓，但是由于交流斬控電路的輸出電壓始終和輸入電壓保持同向，為使其應(yīng)用于補(bǔ)償式結(jié)構(gòu)中，則必須附加電壓極性變換電路。電壓極性變換電路一般采用雙向晶閘管，因采用過(guò)零觸發(fā)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間不可能很快。而且采用的電壓、電流相位檢測(cè)的非互補(bǔ)控制方式過(guò)于復(fù)雜。

單周控制穩(wěn)壓電源具有兩大特點(diǎn)：可以四象限運(yùn)行，適用于感性、容性等各種負(fù)載;具有單周期控制的特點(diǎn)，抗輸入擾動(dòng)性強(qiáng)，并且能夠快速跟蹤給定。

將單周期控制技術(shù)引入交流穩(wěn)壓電源，快速抑制了輸入側(cè)的擾動(dòng)，電源的輸出不受輸入的影響，使得系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。采用交流斬波串聯(lián)補(bǔ)償方式，可以保持能量的雙向通路，負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，并且使得單周期控制方式便于實(shí)現(xiàn)。目前己經(jīng)通過(guò)了5 kW的試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試。

2.9 單周控制在光伏電源最大功率點(diǎn)跟蹤控制中的應(yīng)用

單周控制的光伏電源最大功率點(diǎn)跟蹤控制法，在一個(gè)周期內(nèi)，最大功率點(diǎn)跟蹤控制器可根據(jù)日照水平將光伏電源系統(tǒng)的工作點(diǎn)自動(dòng)調(diào)節(jié)到最大輸出功率點(diǎn)，同時(shí)向電網(wǎng)注入單周功率因數(shù)的正弦電流。系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)光伏電源的兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換(一級(jí)控制直流/直流變換器跟蹤最大功率點(diǎn)，一級(jí)直流/交流變換器提供和電網(wǎng)電壓同相的正弦電流)，用一單級(jí)功率電路和一單周控制器相結(jié)合實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能：最大功率點(diǎn)跟蹤和直流/交流轉(zhuǎn)換。該控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在理論分析和試驗(yàn)校正得到電路參數(shù)后，系統(tǒng)穩(wěn)定收斂在最大功率點(diǎn)，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95.6豫，在電網(wǎng)電壓THD為5.215豫的情況下電源電流THD 僅為5.769豫，達(dá)到較高控制精度和穩(wěn)定度。這種方法極大地簡(jiǎn)化了裝置的復(fù)雜性，降低了成木，增加了光伏電源商業(yè)化的可能性，也為可再生能源的能量注入電網(wǎng)提供了一種簡(jiǎn)單、易行、高效的轉(zhuǎn)換方案。

3 結(jié)論

以上介紹和分析了單周控制理論的原理和現(xiàn)狀及其在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、靜止無(wú)功發(fā)生器以及交流穩(wěn)壓電源和光伏電源最大功率點(diǎn)跟蹤控制中的應(yīng)用情況。

3.1 單周控制的優(yōu)點(diǎn)

1)單周控制使開關(guān)變量在一個(gè)開關(guān)周期中精確地跟隨參考信號(hào)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，抗電源擾動(dòng)能力強(qiáng)。

2)單周控制能有效地消除電源紋波干擾，也可以消除大部分的諧波成分，大大減少輸出諧波含量，不需要高精度的直流電源，有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成木。

3)單周控制自動(dòng)地校正功率開關(guān)的暫態(tài)誤差和導(dǎo)通誤差，輸出沒(méi)有交越失真，能得到很高的線性度。

4)控制電路簡(jiǎn)單，不需要加法器、乘法器等復(fù)雜元器件;不需產(chǎn)生參考信號(hào)，也不需要過(guò)多的電壓傳感器。

3.2 單周控制的缺點(diǎn)

1)單周控制技術(shù)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)抑制能力差，負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，通過(guò)檢測(cè)每個(gè)開關(guān)周期的電感電壓平均值，并引入積分器來(lái)改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，存在不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的問(wèn)題。

2)控制器對(duì)開關(guān)誤差校正能力有限，系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差。

3)當(dāng)變換器因負(fù)載擾動(dòng)從電感電流連續(xù)模式進(jìn)入不連續(xù)模式時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定，如果將輸入電壓誤差引入積分器，負(fù)載擾動(dòng)抑制會(huì)有所改善，但負(fù)載擾動(dòng)信號(hào)是基于輸出電壓誤差，不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3.3 需進(jìn)一步研究問(wèn)題

1)單周控制是一種新的非線性控制理論，它在理論與實(shí)踐中還有待進(jìn)一步研究和討論。如單周控制器輸出電流直流分量、開關(guān)誤差校正能力、負(fù)載擾動(dòng)抑制等，雖采取了一些克服辦法，也提出了不少改進(jìn)模型，但仍缺乏完全克服缺陷的理想辦法，需進(jìn)行深入研究，建立一套完整的理論體系。

2)加強(qiáng)單周控制系統(tǒng)建模的準(zhǔn)確性。因模型是單周控制的基礎(chǔ)，建立在較精確模型上的單周控制勢(shì)必使其系統(tǒng)的輸出更準(zhǔn)確，從而得到更為有效的控制。

3)單周控制本身的特點(diǎn)使現(xiàn)存算法中主要設(shè)計(jì)參數(shù)與系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)靜態(tài)特性和魯棒性間定量的解析表達(dá)式難以得到，故關(guān)于穩(wěn)定性和魯棒性的定量研究與分析還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這將是今后研究的一個(gè)重要方向。

4)雖然單周控制在工業(yè)應(yīng)用上做了大量研究，但總體上仍停留在理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)上，用于工程實(shí)踐很少，因此須加強(qiáng)理論研究與實(shí)際工程應(yīng)用的結(jié)合，加快成熟應(yīng)用模型的產(chǎn)品化工作。