逆變電源的消諧控制技術(shù)
摘要:分析了逆變電源消諧控制方法的模型、求解算法以及控制系統(tǒng)等方面的研究現(xiàn)狀,指出該方法一直未能獲得應(yīng)用的根本原因,提出了通過“硬件同倫積分器”實現(xiàn)消諧方法的實時控制新思想,并分析了其可行性。
關(guān)鍵詞:逆變器 諧波 實時消諧控制
1 引言
逆變器是電力電子裝置中的重要組成部分,是不間斷電源、交流電氣傳動、中頻電源等許多設(shè)備的核心,因而其研究工作倍受人們的關(guān)注,研究的焦點是如何方便地調(diào)節(jié)逆變電源的輸出電壓和頻率,并降低諧波含量,改善輸出波形。迄今為止,降低諧波含量和調(diào)節(jié)輸出電壓(大小或頻率)的常用措施有:
(1)對逆變電源的開關(guān)管進行高頻PWM調(diào)制,使逆變器輸出為高頻等幅的PWM波;
(2)通過改變逆變電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在主電路上進行波形重構(gòu)以實現(xiàn)階梯波形輸出,減小低階高次諧波含量。
對于高頻PWM調(diào)制來說,開關(guān)頻率越高,諧波含量越小,但開關(guān)損耗也越大,故不宜用在大功率逆變電源中。而波形重構(gòu)方式往往需要多個逆變器來實現(xiàn)電壓的疊加。波形重構(gòu)的級數(shù)越多,出現(xiàn)的最低諧波次數(shù)越高,但主電路和控制電路也越復(fù)雜,相應(yīng)地控制難度也越大,輸出電壓的調(diào)節(jié)也不甚方便,因此這種方式通常只在大功率逆變電源中采用。理論分析表明,早在1973年提出的消諧控制策略[1][2]能有效地克服上述問題,它只需要較少的開關(guān)脈沖數(shù)即可完全消除容量較大的低階高次諧波,取得很好的濾波效果,具有開關(guān)頻率低、開關(guān)損耗小、電壓利用率高、濾波容量小等許多優(yōu)點,是實現(xiàn)逆變電源PWM控制的理想方法。然而該方法經(jīng)過近二十年的研究至今仍未實際應(yīng)用,其主要原因是消諧模型的求解復(fù)雜,難以獲得實時控制效果[3-7]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步,這一問題終究會得到解決,從而使消諧方法走向?qū)嵱谩?/P>
2 消諧PWM模型的分析
利用PWM調(diào)制來調(diào)節(jié)輸出電壓和降低諧波含量是目前最為普及的技術(shù),在中小功率逆變電源中應(yīng)用非常廣泛,PWM的生成方法也很多[3]。消諧PWM控制就是一種經(jīng)過計算的PWM控制策略[2-3],其基本方法是:通過PWM控制的傅里葉級數(shù)分析,得出傅里葉級數(shù)展開式,以脈沖相位角為未知數(shù),令某些特定的諧波為零,便得到一個非線性方程組,該方程組即為消諧PWM模型,按模型求解的結(jié)果進行控制,則輸出不含這些特定的低次諧波。消諧模型的建立是與PWM控制方式相關(guān)的,以電壓型逆變器為例,根據(jù)不同的PWM特點,建立的模型可歸納為兩種:即單極性脈沖控制模型和雙極性脈沖控制模型。
圖1所示的逆變器,若在正半周內(nèi)使開關(guān)器件S1、S4處于通斷變換狀態(tài)時,而S2、S3一直關(guān)斷,則輸出為單極性正脈沖,而在負(fù)半周對開關(guān)器件S2、S3通斷控制,而S1、S4一直關(guān)斷,則輸出為單極性負(fù)脈沖,因此脈沖波形可用圖2(a)表示。在這種控制方式下,為了降低開關(guān)損耗,可使同一橋臂中的一個開關(guān)管(如S2或S4)在半個周期內(nèi)一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。PWM波形的獲得靠橋臂的另一個開關(guān)管的通斷來實現(xiàn)。圖2(a)波形的傅里葉級數(shù)表達(dá)式為:
若每個橋臂上的兩個開關(guān)器件是互補通斷的,則輸出PWM波形為雙極性的,如圖2(b)所示,此時的傅里葉級數(shù)展開式為:
在上述兩個模型中,若在1/4周期內(nèi)有N個脈沖,則可用來消除N-1個特定的諧波。
3 消諧模型的求解算法
消諧模型以往都是采用牛頓迭代法來求解[4-8],其初值的選取與迭代過程所需的時間及收斂性質(zhì)密切相關(guān),若初值選得不好,離真實解距離太遠(yuǎn),將導(dǎo)致迭代運算時間很長甚至不收斂,而在求解前要獲得離真實解不遠(yuǎn)的初值并非一件容易的事,若要設(shè)想在實時調(diào)節(jié)過程中進行求解運算,則迭代初值的獲取更為困難。當(dāng)然文獻(xiàn)[4]雖然總結(jié)了一套選取初值的辦法,但仍不是最有效的方法。為了改善收斂特性,也可在牛頓迭代算法中采用超松弛因子,但是這種方法將使收斂速度變慢,不利于快速求解。1999年后,研究者提出了運用同倫方法求解消諧模型的新算法[9-11]。
利用同倫算法求解消諧模型,可以有效地避免牛頓迭代方法對迭代初值敏感的缺點,并且具有收斂速度快、收斂范圍廣、計算容易等特點,是實現(xiàn)消諧模型求解的理想算法。
4 消諧控制方法的應(yīng)用現(xiàn)狀
消諧控制的優(yōu)勢已為人們認(rèn)識,并開展了不少的研究工作,希望該方法得到實際應(yīng)用。遺憾的是,迄今為止消諧方法還沒有真正進入實際應(yīng)用。按照消諧控制的思想,PWM波的相位是通過模型的求解獲得的,而消諧模型是一個正弦函數(shù)的多元非線性方程組,其數(shù)值求解的過程極其復(fù)雜并且難以保證收斂,因此這種求解計算要在現(xiàn)有的微處理器(MCU)系統(tǒng)中快速實時地完成是相當(dāng)困難的,這在相當(dāng)程度上制約了消諧方法的實際應(yīng)用。目前該方法的應(yīng)用主要以離線控制方式實現(xiàn),將其應(yīng)用于無需調(diào)節(jié)電壓大小的恒頻恒壓電源的控制是可行的;或事先計算某些特定電壓的有關(guān)控制參數(shù)存入存儲器中,根據(jù)實際需要分級調(diào)節(jié)輸出電壓,這種方式往往需要很大的存儲空間,而且隨著電壓調(diào)節(jié)的分辨率增高,其存儲空間隨之增大。而文獻(xiàn)[5]提出的所謂實時求解,實際上也是通過計算先獲得不同電壓時的解曲線,在控制過程中進行按輸出電壓指令實時調(diào)整輸出PWM波形,而且為獲得實時效果,脈沖的個數(shù)也不能太多,文中僅用了5個脈沖。由此可見,要使消諧方法獲得廣泛應(yīng)用,必須解決消諧模型的實時運算和控制問題。
5 實時消諧控制技術(shù)的設(shè)想
綜合上述分析,在消諧方法的研究上,迄今為止還是停留在模型的算法研究上,而對消諧模型的具體實現(xiàn)方法很少開展研究工作。由于人們受到陳舊觀念的束縛,在實現(xiàn)方法上,理所當(dāng)然地認(rèn)為逆變電源的控制系統(tǒng)應(yīng)由MCU或單片機來實現(xiàn),因而研究的主要焦點是如何在單片機上完成模型求解的實時計算,由于消諧模型求解過程的復(fù)雜性,這種設(shè)想是很難實現(xiàn)的,這也是消諧方法至今未能實用的主要原因。為了能夠?qū)崿F(xiàn)消諧模型的實時計算,無論算法如何改進,如不從根本上另尋算法的實現(xiàn)方法,即使采用DSP芯片進行計算,也是難以實現(xiàn)實時控制的。
通過上述分析已知,同倫算法是比較理想的求解消諧模型的算法之一,因此本文提出了所謂“硬件同倫積分器”的設(shè)想,即將上述分析的同倫方程的迭代算法在復(fù)雜可編程邏輯芯片(CPLD)上以硬件并行處理的形式實現(xiàn)。那么所謂迭代求解的過程就好比一個逐次逼近的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理一樣,通過逐次積分比較,最終消除差值,即獲得結(jié)果。按文獻(xiàn)[9-11]的研究結(jié)果,同倫算法具有快速收斂且對初值不敏感的特點,因此只要硬件實現(xiàn)的同倫算法速度較快,整個消諧模型的求解就象完成一個積分調(diào)節(jié)器的作用一樣,易于實現(xiàn)實時控制。
CPLD/FPGA是應(yīng)用電子技術(shù)的又一次重大突破[12](從數(shù)字電路到微控制器或單片機是第一次重大突破)。與MCU相比,CPLD克服了MCU的低速(因為指令是逐條執(zhí)行的)、需要復(fù)位、PC跑飛(抗干擾能力低)等一系列缺點,而具備編程方式簡單先進、高速(并行處理,時鐘延遲僅為ns級)、高可靠性、功能強大等一系列優(yōu)點。實踐證明,許多復(fù)雜的運算(如濾波、求模、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)都可由CPLD/FPGA來實現(xiàn)[13-14],由于CPLD的并行處理特點,寫入其中的算法處理是極其迅速的,其時鐘的延遲可達(dá)ns級。因此可以預(yù)計在CPLD上實現(xiàn)的同倫算法求解是可以實時完成的。
當(dāng)然,要使上述設(shè)想能夠得以實現(xiàn),消諧模型還需要按數(shù)字控制技術(shù)的要求加以改進,將其變?yōu)閿?shù)字離散模型,經(jīng)過同倫映射所得到的同倫方程和迭代算法也需要進行數(shù)字離散化處理,才能使整個算法可以在CPLD上進行邏輯綜合,完成算法的設(shè)計。而將整個算法在CPLD上實現(xiàn)的關(guān)鍵問題是如何按CPLD邏輯綜合的要求去描述準(zhǔn)備施行的具體算法,即設(shè)計好CPLD的編程軟件。在編程軟件設(shè)計好以后,一旦編程于CPLD器件中,它是以硬件邏輯連接的形式實現(xiàn)的,運算的處理過程是并行的,并且速度極快,因而可以相信在CPLD上實現(xiàn)的同倫運算速度是能滿足實時控制要求的。
6 結(jié)語
綜上所述,逆變電源消諧控制性能優(yōu)良,只因未能實現(xiàn)實時控制而一直未得到實際應(yīng)用。本文綜合分析國內(nèi)外消諧方法的研究現(xiàn)狀及相關(guān)學(xué)科的研究成果,提出“硬件同倫積分器”新思想,應(yīng)是實現(xiàn)消諧方法的有效途徑??梢灶A(yù)見,如果應(yīng)用該方法實現(xiàn)了消諧方法的實時控制,不僅具有重大的理論意義,而且具有重大的推廣應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
評論