0 引言

20 世紀90 年代初，美國加州理工學院的K.M.Smedley 博士提出一種大信號非線性控制理論方法———單周控制理論(One Cycle Control)，它是在開關放大器的PWM控制基礎上發(fā)展起來的。

其突出優(yōu)點是無論在穩(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，即能在一個周期內，有效地抵制電源側的擾動，既沒有靜態(tài)誤差也沒有動態(tài)誤差，動態(tài)響應快速，對輸入擾動抑制能力強。開關變換器是脈沖式的非線性動態(tài)系統(tǒng)，大多數采取的控制方案是首先通過線性化控制方程逼近這個非線性動態(tài)系統(tǒng)，然后再采用線性反饋技術進行控制。這種方法限制了開關非線性系統(tǒng)的功能。而單周控制沒有這種限制，因而得到了學術界的廣泛認可，也成為了學者們研究的熱點。

單周控制與其它現(xiàn)有PWM控制方法相比，結構簡單、響應速度快、穩(wěn)定性好，可適應高精度、高速度和高抗干擾的控制要求。單周控制已在DC-DC變換器、功率因數校正、有源電力濾波器、逆變器、開關功率放大器、不間斷電源、交流穩(wěn)壓電源、靜止無功發(fā)生器以及功率放大和光伏電源最大功率點跟蹤控制等方面得到大量應用。在國外，己有公司開始致力于將單周控制模塊化并投入到商業(yè)運營。

1 單周控制原理

將單周控制的基本原理應用于各種電流控制上，就可以得到電荷控制(Charge Control)，準電荷控制(Quasi-Charge Control)，非線性載波控制(Nonlinear Carrier Control)和輸入電流整形技術(Input Current Control)等新型控制技術。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的電流量，使之在一個周期內達到期望值。準電荷控制也是一種電流型的單周控制。

準電荷控制是在電荷控制的基礎上，用RC 網絡代替電荷控制時電路中的C 網絡。非線性載波控制的控制電流可為開關電流、二極管電流或電感電流，從電路的拓撲結構上講非線性載波控制技術是在電荷控制的基礎上增加了一個外加的非線性補償，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在非線性載波控制中當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)是小信號穩(wěn)定的;另外非線性載波控制工作在斷續(xù)條件下會產生輸入電流的畸變。輸入電流整形技術用于檢測二極管上的電流，從形式上說是一種類似于非線性載波控制的控制方案，從控制的實質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域中的應用

2.1 單周控制在DC-DC變換器的應用

DC-DC變換器將輸入的直流電壓，經高頻斬波或高頻逆變后，再經整流和濾波環(huán)節(jié)，轉換成所需幅值的直流電壓。因DC- DC 變換器非線性強，所以建立模型相當困難，故采用經典控制法———電壓型控制技術和電流型控制技術難以達到控制要求。電壓型控制技術是當輸入電源電壓、負載、功率電路元器件參數變化時，只有等到輸出電壓變化后，反饋環(huán)路才能起到調節(jié)輸出電壓的作用，動態(tài)響應速度慢;為了降低系統(tǒng)的靜態(tài)誤差、功率電路的大時間常數和控制信號的傳遞延遲對系統(tǒng)動態(tài)響應速度的影響，必須采用高增益、寬頻帶的運放，從而導致系統(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。而電流型控制技術不能承受持續(xù)的短路，由于在短路輸出時，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;同時變換器的電路損耗劇增，這是因為功率開關管的關斷僅受流過開關管上的峰值電流脈沖控制。

單周控制技術應用于DC- DC變換器，具有很強的抗輸入電壓干擾能力，對短路有保護功能，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。單周期控制技術應用于DC-DC 變換器，其不足主要在于對開關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)的負載動態(tài)響應速度較慢，過沖嚴重。

通過一定的策略可對輸入電壓和負載電流擾動進行抑制，但不能實現(xiàn)變換器的最優(yōu)動態(tài)響應。目前只是對單周期控制的半橋式DC-DC 變換器進行了理論分析和系統(tǒng)仿真。

2.2 單周控制在功率因數校正中的應用

功率因數校正(PFC)技術是抑制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通角趨于180毅，產生與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)導通模式(DCM)和連續(xù)導通模式(CCM)。DCM 控制又稱電壓跟蹤方法，它是PFC中簡單而實用的一種控制方式，應用較為廣泛。

DCM 控制盡管簡單，但由于器件承受較大的開關應力，所以只能應用在小功率范圍。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)點是電流瞬態(tài)特性好，自身具有過流保護能力，但需要檢測瞬態(tài)電流，控制電路復雜。間接電流控制的優(yōu)點是結構簡單、無需電流傳感,缺點是穩(wěn)態(tài)性很差，動態(tài)響應慢，動態(tài)過程中存在直流電流偏移和很大的電流過沖。

單周控制PFC 把開關變量作為輸入電流，控制參考量作為輸入電壓，這樣使輸入電流在單個周期內能跟隨輸入電壓變化，采樣電流也隨電壓信號變化。從而實現(xiàn)功率因數校正目的，功率因數非常接近于1。采用單周控制可以簡化控制電路的設計，不需要使用乘法器，不用檢測輸入電壓，使系統(tǒng)更易實現(xiàn)，并且降低了設備的經濟成本。

PFC 是單周控制應用較成熟的領域之一，在單相和三相功率電路中都得到成功的應用，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用

有源電力濾波器(Active Power Filter, APF)作為一種用于動態(tài)抑制諧波和補償無功功率的新型電力電子裝置，可對大小和頻率都變化的諧波分量和無功功率進行補償。其補償性主要取決于對畸變電流的實時準確檢測和逆變器輸出電流的控制策略。單周控制有源濾波器(UCI-APF)是諧波補償的新方向，與常用的APF相比，UCI-APF 控制方法具有簡便、采樣通道少、電路成本低、檢測量少、控制器結構簡單以及魯棒性強等優(yōu)點，可調節(jié)功率因數接近1，故在中小功率場合有推廣價值。但經典的UCI-APF對電路參數的依賴性非常大，當控制電路積分參數出現(xiàn)偏差或浮動時，主電路上的進線電流將引入直流分量，這嚴重阻礙其推廣應用。

單周控制有源濾波器的控制目標是消除諧波并調節(jié)功率因數接近1，因此當有源濾波器有效工作時，網側電流波形跟蹤電壓波形，整個系統(tǒng)能夠等效為線性負載(等效阻抗為Re)，即

由上面分析可見，控制方程可由單周控制的方式實現(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制方式，其目的是在一個[!--empirenews.page--]

單周控制有源濾波器的缺點是以峰值電流檢測和比較的方法產生占空比信號，采用一個比較器，在整個正弦波周期內都是開關導通期間電流上升，開關關斷期間電流下降，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準正弦波電流，從而產生電流直流分量。人們也想了很多改進的單周控制方法抑制直流分量，比如單極調制技術等。

APF 是單周控制應用較成熟的領域之一，目前分為單周控制單相和三相APF，由于不需要檢測負載電流、不需要計算負載電流的諧波和無功分量、不需要乘法器和電壓傳感器，從而簡化了APF的工作原理和結構，因此控制結構更加簡單，可靠性更高，魯棒性更好。

2.4 單周控制在逆變器中的應用

單周控制技術應用于電壓型逆變電路中，給負載提供所需要的交流電壓源。根據單周控制原理，用兩個積分器交互工作解決了積分器的復位問題;再用增加直流偏移量解決實際電路中遇到的電壓測量問題。對于逆變電路而言，提高直流電壓利用率可以提高逆變器的輸出能力，減少逆變器開關的動作次數，就能減少開關損耗。采用雙積分器單周控制的電壓型逆變電源，其逆變電路硬件結構簡單，輸出電壓幅值和頻率可調，具有快速的動態(tài)響應。實驗證明單周控制技術是一種較理想的變頻器控制技術。該技術直流電壓利用率高，提高了系統(tǒng)的效率;開關器件工作在定頻率下，降低了諧波損耗，節(jié)約了能源;有較強的抗電源擾動能力，使得輸出電壓不受直流電壓波動的影響;系統(tǒng)的響應快;系統(tǒng)硬件電路結構簡單，易于實現(xiàn)，可廣泛用于各類逆變電源，如車載、船載電源等。

但目前單周控制應用于逆變器還不成熟，只是對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 逆變器進行仿真，研制了一臺電壓型逆變電源樣機，電壓幅值范圍可以是0 耀232 V，頻率范圍是0耀100 Hz，輸出波形質量高，THD 均在0. 8%以下，最小達到了0. 2559%。

2.5 單周控制在開關功率放大器中的應用

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

開關功率放大器的控制方式是影響其性能的關鍵因素之一。單周控制是一種大信號非線性PWM 調制方案，克服了開關變換器的非線性特性，對大信號放大時畸變較小;單周控制動態(tài)響應快，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;單周控制可同時處理信號和功率，可自動抑制電源紋波，故不需高精度直流電源，事實上，一經整流的不可控電源加上一小電容就可用作開關音頻功率放大的直流電源，從而進一步降低了功率損耗、裝置的復雜性、大小及成木。實際工作中，單周控制開關變換器的復位脈沖不可能理想，會使輸出端產生直流偏置，分析表明，直流偏置的大小與復位脈沖的寬度成正比變化。針對單周控制的開關功率放大輸出直流偏置問題，提出了一種在比較器的同相輸入端引入補償電壓的解決方案，給出了補償電壓的具體計算公式。補償前、后開關放大器仿真和實驗研究的結果表明，補償后的單周控制開關功率放大器性能優(yōu)良，有效地解決了補償前的輸出直流偏置問題。

單周控制的開關功率放大器雖然具有很多優(yōu)點，但由于其提出的時間還不長，還存在許多需要解決的問題。單周控制的開關功率放大器目前還沒有實現(xiàn)大功率的應用;同時，輸出端存在的直流偏置問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用

不間斷電源(UPS)不僅是不停電，能讓機器開機，還要保護數據的安全性。事實上，任何信息產品，最終都要保證數據在處理、存儲和傳輸的全過程中做到高速、準確、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現(xiàn)，采用雙極性模式的UPS 控制電路簡單，主要由復位積分器、一個比較器、觸發(fā)器及時鐘組成，但在負載較輕時易出現(xiàn)直流偏移;單極性操作模式的UPS 雖然需要較為復雜的電路來解決輸出電壓過零點誤差問題，但逆變器電源部分只有2 個開關工作在較高的開關頻率，其它2 個工作在工頻，因此可減小開關損耗，提高開關效率，在正、負半周工作在對稱情況下，消除了直流偏移。單極性操作模式輸出為正、負、零3個等級的電壓信號，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、動態(tài)響應速度快，在負載電壓變化和輸入電壓畸變時都表現(xiàn)出很強的魯棒性，輸出電壓畸變較小。目前對單周控制UPS的研究較少，只處在理論分析和探索中。

2.7 單周控制在靜止無功發(fā)生器中的應用

靜止無功發(fā)生器簡稱SVG(Static Var Generator)，也是一種電力電子補償裝置。與靜止無功補償裝置(SVC)不同的是，SVG 通過發(fā)出無功功率達到無功補償的目的，不需要大容量的電抗器、電容器等儲能元件，一般指的是自換相電力半導體橋式變流器型動態(tài)無功補償裝置。

單周期控制的靜止無功發(fā)生器主要研究內容是在對應用單周期控制的靜止無功發(fā)生器建立數學模型的基礎上，分析直流側電壓波動和兩電容電壓不平衡的原因，結合單周期控制法提出了一種有效、簡單的解決辦法。該方法的進展現(xiàn)在處于系統(tǒng)的仿真階段。

2.8 單周控制在交流穩(wěn)壓電源中的應用

在交流穩(wěn)壓電源(AC Stabilizer)中，補償式電源有其比較突出的優(yōu)點。由于補償式電源所采用的電力變換器的容量按照補償功率選取，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，有更好的經濟效益和體積小、重量輕的優(yōu)點?，F(xiàn)有的補償式交流穩(wěn)壓電源補償電壓的調節(jié)方式有下列三種：

1)采用多抽頭變壓器，用雙向晶閘管調節(jié)補償電壓，補償電壓有級差。

2)通過機電式機構調節(jié)自耦變壓器的觸頭來調節(jié)補償電壓，動態(tài)響應速度慢。

3)采用交流斬控技術來調節(jié)補償電壓，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，為使其應用于補償式結構中，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，因采用過零觸發(fā)，其動態(tài)響應時間不可能很快。而且采用的電壓、電流相位檢測的非互補控制方式過于復雜。

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

將單周期控制技術引入交流穩(wěn)壓電源，快速抑制了輸入側的擾動，電源的輸出不受輸入的影響，使得系統(tǒng)具有快速的動態(tài)響應。采用交流斬波串聯(lián)補償方式，可以保持能量的雙向通路，負載適應性強，并且使得單周期控制方式便于實現(xiàn)。目前己經通過了5 kW的試驗樣機測試。

2.9 單周控制在光伏電源最大功率點跟蹤控制中的應用

單周控制的光伏電源最大功率點跟蹤控制法，在一個周期內，最大功率點跟蹤控制器可根據日照水平將光伏電源系統(tǒng)的工作點自動調節(jié)到最大輸出功率點，同時向電網注入單周功率因數的正弦電流。系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)光伏電源的兩級功率轉換(一級控制直流/直流變換器跟蹤最大功率點，一級直流/交流變換器提供和電網電壓同相的正弦電流)，用一單級功率電路和一單周控制器相結合實現(xiàn)兩項功能：最大功率點跟蹤和直流/交流轉換。該控制器結構簡單，在理論分析和試驗校正得到電路參數后，系統(tǒng)穩(wěn)定收斂在最大功率點，轉換效率可達95.6豫，在電網電壓THD為5.215豫的情況下電源電流THD 僅為5.769豫，達到較高控制精度和穩(wěn)定度。這種方法極大地簡化了裝置的復雜性，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提供了一種簡單、易行、高效的轉換方案。

3 結論

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、功率因數校正、有源電力濾波器、逆變器、開關功率放大器、不間斷電源、靜止無功發(fā)生器以及交流穩(wěn)壓電源和光伏電源最大功率點跟蹤控制中的應用情況。

3.1 單周控制的優(yōu)點

1)單周控制使開關變量在一個開關周期中精確地跟隨參考信號，動態(tài)響應速度快，抗電源擾動能力強。

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，有利于簡化系統(tǒng)結構，降低成木。

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

4)控制電路簡單，不需要加法器、乘法器等復雜元器件;不需產生參考信號，也不需要過多的電壓傳感器。

3.2 單周控制的缺點

1)單周控制技術對負載擾動抑制能力差，負載動態(tài)響應慢，通過檢測每個開關周期的電感電壓平均值，并引入積分器來改善系統(tǒng)動態(tài)響應，存在不能實現(xiàn)最優(yōu)動態(tài)響應的問題。

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

3)當變換器因負載擾動從電感電流連續(xù)模式進入不連續(xù)模式時，系統(tǒng)會出現(xiàn)不穩(wěn)定，如果將輸入電壓誤差引入積分器，負載擾動抑制會有所改善，但負載擾動信號是基于輸出電壓誤差，不能實現(xiàn)最優(yōu)動態(tài)響應。

3.3 需進一步研究問題

1)單周控制是一種新的非線性控制理論，它在理論與實踐中還有待進一步研究和討論。如單周控制器輸出電流直流分量、開關誤差校正能力、負載擾動抑制等，雖采取了一些克服辦法，也提出了不少改進模型，但仍缺乏完全克服缺陷的理想辦法，需進行深入研究，建立一套完整的理論體系。

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

3)單周控制本身的特點使現(xiàn)存算法中主要設計參數與系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動靜態(tài)特性和魯棒性間定量的解析表達式難以得到，故關于穩(wěn)定性和魯棒性的定量研究與分析還遠遠不夠，這將是今后研究的一個重要方向。

4)雖然單周控制在工業(yè)應用上做了大量研究，但總體上仍停留在理論分析和仿真實驗上，用于工程實踐很少，因此須加強理論研究與實際工程應用的結合，加快成熟應用模型的產品化工作。