l 引言

雙向電壓源高頻鏈逆變器具有雙向功率流，減少了功率變換級數(shù)的優(yōu)點，但卻存在一個固有的缺點，即采用傳統(tǒng)PWM技術(shù)的輸出周波變換器換流時阻斷了高頻變壓器漏感中連續(xù)的能量，于是導(dǎo)致高頻變壓器和輸出周波變換器之間出現(xiàn)電壓過沖。因此，這類逆變器通常需要采用緩沖電路或有源電壓箝位電路來吸收存儲在漏感中的能量，從而增加了功率器件數(shù)和控制電路的復(fù)雜性。同時還要保證高頻變壓器在低頻交流信號的正負(fù)半周單極性往復(fù)工作中避免變壓器磁芯飽和，確保低頻交流信號被線性傳遞。

雙向電壓源高頻鏈逆變器因其變換效率高、功率密度大、易于用在大功率場合，目前是光伏逆變電源領(lǐng)域的研究熱點。研究了基于電壓反饋的離散重復(fù)控制技術(shù)，分析了重復(fù)控制消除輸出電壓周期性波形畸變的原理。最后，應(yīng)用PSIM仿真軟件進(jìn)行了系統(tǒng)試驗，對關(guān)鍵的試驗波形做出了分析。

2 逆變器主電路數(shù)學(xué)模型的建立

雙向電壓源高頻鏈逆變器原理圖如圖1所示。它是以Forward為基本單元。直流輸入電壓DC通過高頻逆變器逆變，在變壓器原邊得到高頻正負(fù)脈沖，通過高頻變壓器進(jìn)行變壓比調(diào)整和電氣隔離，變壓器副邊得到和原邊相位相同的高頻正負(fù)脈沖波，周波變換器對高頻脈沖進(jìn)行低頻解調(diào)，在輸出濾波電路兩端得到低頻交流脈沖電壓，再由濾波電路濾除高次諧波。

在高頻鏈逆變電源的主電路數(shù)學(xué)模型中，由于逆變器開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LC濾波器的振蕩頻率。所以逆變器的動態(tài)特性主要由LC濾波器決定，可以將其等效為輸出LC濾波環(huán)節(jié)構(gòu)成的二階系統(tǒng)。設(shè)濾波電感為Lf，濾波電容為Cf，電容、電感以及其他的等效電阻為Rz：。逆變器的等效傳遞函數(shù)為：

采用零階保持器，并選擇合適的采樣周期T，可以將逆變器的等效傳遞函數(shù)離散化，得逆變器的離散化傳遞函數(shù)為：

實驗主電路中，逆變器的載波頻率為10 kHz，考慮到輸出濾波器截止頻率為該頻率的1/10～1/5，選取Lf=2 mH，Cf=6μF，Rz=1 Ω。

利用MATLAB可求得系統(tǒng)傳遞函數(shù)的離散形式為：

逆變器的空載阻尼很小，在自然頻率處有較大的諧振峰值。PWM逆變器的輸出電壓誤差主要是由負(fù)載擾動、直流側(cè)電壓波動、死區(qū)效應(yīng)等因素引起。誤差頻率分量大多位于中低頻段，系統(tǒng)只要對這些中低頻誤差分量有較強(qiáng)的抑制能力。就可以大幅度地改善諸如諧波失真度(THD%)、電壓穩(wěn)態(tài)誤差等穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。

3 重復(fù)控制策略

重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制策略，其作用是當(dāng)輸入信號以基波周期重復(fù)出現(xiàn)，輸出對輸人信號的逐周期累加。重復(fù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包括重復(fù)控制器內(nèi)模、周期延時環(huán)節(jié)及補(bǔ)償器S(z)。

3.1 周期延時系數(shù)的選擇

每基波周期對輸出電壓的采樣次數(shù)，N=fc/f。其中fc為參考輸入基波頻率，f為載波頻率。

3.2 補(bǔ)償器的設(shè)計

由被控系統(tǒng)P(z)幅頻特性曲線可知：在ω=4 564 rad/s處有一諧振尖峰。補(bǔ)償器S(z)用以消除該諧振峰。選取二階振蕩環(huán)節(jié)在中低頻段與P(z)對消，在高頻段急劇衰減，其中ζ=l，ωn=4 600。為了改善補(bǔ)償性能，設(shè)計中引入Notch函數(shù)

時對諧振尖峰起陷波作用。

3.3 zKKrQ(z)的設(shè)計

被控對象P(z)和補(bǔ)償器S(z)都存在著很大的相位滯后，所以采用相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)Zk進(jìn)行補(bǔ)償。Kr的取值范圍是O～1，類似一個比例控制器的功能。本例中，Kr取0.21可得到滿意的調(diào)節(jié)效果。

Q(z)應(yīng)為接近1的常數(shù)，當(dāng)Q(z)取小于1的常數(shù)時，使得原點為Q(z)端點的單位圓整體左移，可以保證系統(tǒng)在全頻段的穩(wěn)定性，本例中取經(jīng)驗值0.95。

3.4 仿真實驗

在阻性和阻感性負(fù)載條件下，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，比較輸出電壓與參考輸入的波形結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3可以看出，引入重復(fù)控制器后，系統(tǒng)在阻性負(fù)載條件下，諧波含量少，輸出電壓波形正弦度好;相位上也與基準(zhǔn)電壓保持一致。由圖4看出。重復(fù)控制對于波形幅值的調(diào)節(jié)效果不如阻性負(fù)載時。但從結(jié)果也看出，引入重復(fù)控制后，相位調(diào)節(jié)效果好，輸出波形相位與輸入基準(zhǔn)基本保持一致，這一點給逆變器波形控制以及逆變器的并聯(lián)提供了一個有利條件。

4 結(jié)語

分析了逆變器領(lǐng)域常用的雙向電壓源高頻鏈逆變器的結(jié)構(gòu)和原理，研究了基于電壓反饋的離散重復(fù)控制技術(shù)。通過實驗可以看出，引入重復(fù)控制器后，系統(tǒng)輸出波形的諧波含量明顯減少，輸出電壓波形質(zhì)量大大提高;在相位的調(diào)節(jié)上效果更加明顯，使輸出波形能夠在相位上與輸入基準(zhǔn)保持一致，為逆變器的并聯(lián)提供了有利條件。