基于雙PWM補償型單相交流穩壓電源的設計

趙曉紅 邱瑞昌 韓嘯一 聞 超 莊江麗 李潤新

（北京交通大學電氣工程學院 北京 100044）

1 引言

在用電高峰期，很多地方存在電網電壓跌落嚴重的現象，但在用電低谷期，電網電壓又上升太高；一些邊遠地區，電網電壓長期偏低；一些負荷變化較快的地區，電網電壓波動嚴重[1]。這些都很容易給用電設備帶來損害，甚至可能造成很大的損失。有些地方需要非常穩定的工作電壓[2]。由此可見，高穩定度的交流穩壓電源具有非常廣大的應用空間。

2 穩壓電源工作原理

2.1 穩壓電源結構原理

補償型穩壓電源[3-5]是利用增加補償環節實現輸出電壓穩定的。采用的補償型交流穩壓電源通過串聯在電路中的補償變壓器給輸入的市電補償一個電壓使其穩定在額定值的一定范圍內，這個電壓稱作補償電壓，由補償電路產生。補償電壓是一個與輸入市電同相或反相的電壓，當市電低于額定值時，補償一個與其同相的電壓，當市電高于額定值時，就補償一個與其反相的電壓，最終使輸出電壓穩定在額定值。

補償電路由整流器、逆變器和補償變壓器組成。整流器將市電整流成直流電壓提供給逆變器，逆變器輸出變壓前的補償電壓。整流器和逆變器都是采用 PWM控制方式。控制系統完成對整流器逆變器的信號檢測、故障處理和控制等任務。

這類穩壓電源的優點是電路簡單、穩壓精度高、響應速度快、抗干擾性能好和工作可靠，缺點是用DSP等微處理器來實現的控制系統比較復雜。隨著微處理器處理速度越來越快，成本越來越低，采用微處理器的控制系統被應用于更多的場合，成為主流的控制系統設計方案。

2.2 穩壓電源的主電路拓撲

穩壓電源的主電路拓撲如圖1所示。

圖1 穩壓電源主電路拓撲Fig.1 Main circuit of the source

主體部分是兩個背靠背的單相 PWM變換器[6]PWM1和PWM2。R為充電電阻，初上電時市電通過二極管 VD1～VD4對后級的支撐電容 C充電，R的存在限制了充電電流，避免了充電電流過大而造成電容C的損壞；充電完成之后，閉合充電繼電器K1，切除旁路充電電阻R。K2為穩壓電源主電路繼電器，當輸入市電超出補償范圍時打開 K2切斷負載。補償變壓器T的一次側與逆變器輸出端相連，二次側串聯在市電和負載之間。

整流器采用了 PWM整流器，可以使交流側輸入功率因數為 1，不會產生諧波污染電網，直流側輸出穩定的直流電壓，且幅值高于二極管不可控整流得到的直流電壓值，有利于后級逆變電路的工作。逆變器就是將PWM整流器輸出的直流電壓Ud逆變成所需要的與電網電壓同頻率、同相位或反相位、幅值可調的交流電壓。逆變器采用了SPWM控制方式，通過補償變壓器與市電串聯后得到額定輸出電壓。

當Ui過高時，進行負補償，能量由變壓器二次側流向變壓器一次側，經過逆變器和 PWM整流器反饋到電網，PWM 整流器工作在逆變狀態。當 Ui過低時，進行正補償，PWM整流器工作在整流狀態。

3 穩壓電源電壓電流控制策略

單一的電壓閉環控制有瞬時值控制和有效值控制兩種控制策略。

瞬時值控制是將輸出電壓衰減后與基準正弦波進行瞬時值比較，產生的誤差信號經電壓調節器（比如PI調節器）調節后與三角載波相比較得到SPWM控制信號。該反饋能及時、快速地校正輸出電壓波形，整個系統具有優良的動態輸出特性。但系統的穩定性能差。由于其基準值為時變的正弦波信號，在系統穩定時，采用PI調節會產生相位誤差。

有效值控制比瞬時值控制多了有效值檢測和乘法器兩個環節。圖2是電壓有效值控制的反饋結構圖。

圖2 電壓有效值反饋結構圖Fig.2 Feedback block of the RMS voltage

逆變輸出電壓經電壓互感器降壓后整流濾波得到電壓有效值，其輸出電壓與給定值相比較，產生的誤差信號經過PI調節后，與基準正弦信號相乘得到正弦信號的給定，即調制信號，再與三角載波信號比較，產生SPWM信號。該方法的基準電壓為恒定直流電壓信號，經過PI調節器可以使得輸出電壓無穩態誤差。但電壓有效值控制系統動態響應速度緩慢，適應負載能力差，非線性負載時，電流峰值很高，輸出電壓波形畸變。

逆變器輸出電壓要求幅值精確，并且考慮到一個控制器來控制雙 PWM，為減輕控制器負荷，降低控制軟件設計的難度，最終采用電壓單閉環有效值反饋控制方式。

考慮到電流響應速度設計了采用電流內環反饋，用內環電感電流反饋改善系統的穩態、動態性能，使得內、外環的補償環節設計變得容易，并起到對負載限流的作用。

采用固定開關頻率電流[7]控制中預測電流控制方法。圖3為預測電流控制[8]的原理圖。

圖3 預測電流控制原理圖Fig.3 Block of forecast current control

電壓調節器為PI調節器，其輸出I*作為交流側電流的幅值給定，乘以電網同步正弦信號后得到交流側電流 i*的給定值，與檢測到的實際電流 i比較后通過比例調節器調節（比例系數是Kp=L/Ts），取反后加上前饋的網壓 e，結果再與三角波比較就可以得到控制功率開關管的PWM信號。

從以上的分析可以看出，由于引入了電流閉環控制，預測電流控制方法可以滿足電流快速響應的要求，并且由于控制周期固定，器件的開關頻率固定，不會使功率開關管產生過大的應力。

4 穩壓電源仿真和實驗

4.1 穩壓電源仿真

利用SimPowersystems和Simulink庫中各種模塊和元件，按照穩壓電源的主電路拓撲和控制策略，對穩壓電源進行仿真[9-10]。

雙 PWM再加上補償變壓器和負載，就得到穩壓電源主電路仿真模型。

控制模塊以雙 PWM模塊為基礎，添加電網電壓有效值檢測和比較模塊。“Constant 1”的值 220是穩壓電源的額定輸出電壓值，由于補償變壓器 T的匝比是 7，即逆變器的輸出電壓給定是補償電壓的7倍，于是在電網電壓與電源額定值比較之后通過值為7的“Gain”單元。

通過改變輸入電壓，模擬出了輸入電壓變化時補償工況的變化，得到的穩壓電源輸入電壓Ui、輸入電流I、直流側電壓Ud仿真波形如圖4所示。

圖4 穩壓電源輸入電壓Ui、輸入電流I、直流側電壓Ud波形Fig.4 Waveforms of the input voltage Ui,the input current I, DC voltage Ud

0～0.5s的時間內，輸入電壓通過IGBT的反并聯二極管整流對支撐電容充電，直流側電壓Ud逐漸上升，充電電流逐漸減小；在 0.5s時刻，PWM整流器和逆變器開始運行，此時有一個不到20A的電流沖擊；在 1s時刻，輸入電壓 Ui降得很低，此時直流側電壓Ud有少許的降落，但是仍然在允許范圍內，在1～1.02s工頻周期內，輸入電流I有畸變，經過這一個周期的調整，輸出電流 I恢復對輸入電壓 Ui的補償，但變為正補償，輸出電壓 Uo恢復到額定值。

觀察1s左右的波形，可以看出當輸入電壓大于額定電壓時，Ui與 PWM整流器的輸入電流I是反相的，所以PWM整流器向電網回饋能量；當輸入電壓小于額定電壓時，Ui與PWM整流器的輸入電流I同相，這時PWM整流器從電網吸收能量，傳送到逆變器。

圖5和圖6分別是輸出電壓Uo從0.5s開始的25個工頻周期的傅里葉分析和從1.02s開始的24個工頻周期的傅里葉分析。

輸出電壓Uo等于輸入電壓Ui與補償電壓ΔU之和，從圖5和圖6中突出顯示部分很容易看出負補償和正補償時輸出電壓分別為 221.1V和 218.8V，穩定在額定值220（1±1%）V內。

4.2 穩壓電源實驗

將 PWM整流器直流側與逆變器直流側相連，就可以進行穩壓電源的實驗。以滑動變阻器作為負載，以調壓器的輸出作為 PWM整流器的輸入，調壓器輸出范圍，可以滿足調試正負補償的實驗要求。穩壓電源的輸入電壓和逆變器輸出的補償電壓波形如圖7所示，左圖是正補償，右圖是負補償。

圖5 輸出電壓Uo從0.5s開始的25個工頻周期的傅里葉分析Fig.5 FFT analysis of Uo from 0.5s to 1s

圖6 輸出電壓Uo從1.02s開始的24個工頻周期的傅里葉分析Fig.6 FFT analysis of Uo from 1.02s to 1.5s

圖7 穩壓電源的輸入電壓及其補償電壓Fig.7 The input voltage and the offset voltage of the power supply

由于示波器探頭的限制，無法完全顯示幅值超過400V的電壓，輸入電壓采取了1/2分壓的辦法來顯示。從圖中的數據可以計算出補償后的電壓分別是221.9V和218.4V，滿足輸出電壓指標。

由仿真結果和實驗調試結果可見，該設計基本滿足設計的技術指標。

5 小結

為了滿足了各種不同應用場合對交流穩壓電源的需求，本文設計了一種補償型交流穩壓電源，這是一種基于雙 PWM變換器的單相交流穩壓電源。背靠背相連PWM整流器和逆變器是穩壓電源的核心部分，前者為后者提供了穩定的直流電壓，后者根據補償需求逆變輸出所需的補償電壓至補償變壓器，與電網電壓疊加后得到穩定的220V電壓。

[1]林舜江, 李欣然, 劉楊華. 電力系統電壓穩定性及負荷對其影響研究現狀[J]. 電力系統及其自動化學報, 2008, 20(1): 66-74.Lin Shunjiang, Li Xinran, Liu Yanghua. Present investigation of voltage stability and composite load’s influence on it[J]. Proceedings of the CSU-EPSA 2008, 20(1): 66-74.

[2]史偉, 盧念功, 張慶元. 電壓穩定性淺析[J]. 科技信息, 2008, (11): 306.Shi Wei, Lu Niangong, Zhang Qingyuan. Shallow of the voltage stability[J]. Science & Technology Information, 2008, (11): 306.

[3]張乃國. 實用電源技術手冊—交流穩定電源分冊[M]. 遼寧: 遼寧科學技術出版社, 1999.

[4]甘克啟, 戴振剛. 精密高效大功率穩壓穩流電源[J].電力電子技術, 1998, (2): 58-61.Gan Keqi, Dai Zhengang. A precision high efficiency high power voltage and current stabilized power supply[J]. Power Electronics, 1998, (2): 58-61.

[5]王躍, 汪至中, 葉晶晶, 等. 新型交流穩壓電源的研制[J]. 電力電子技術, 1999, (6): 26-29.Wang Yue, Wang Zhizhong, Ye Jingjing, et al.Development of new AC stabilizer powersupply[J].Power Electronics, 1999, (6): 26-29.

[6]劉志剛, 葉斌, 梁暉. 電力電子學[M]. 北京: 清華大學出版社, 北京交通大學出版社, 2004.

[7]Wu R, Dewan S B, Slemon G R. Analysis of an ac to dc voltage source converter using PWM with phase and amplitude control[J]. IEEE Transactions on Industry Applications. 1991, 27(2): 355.

[8]李偉. 交流傳動電力機車網側變流器控制方法的研究[D]. 北京: 鐵道部科學研究院, 2002.

[9]洪乃剛, 等. 電力電子和電力拖動控制系統的 Matlab仿真[M]. 北京: 機械工業出版社, 2006.

[10]薛定宇, 陳陽泉. 基于Matlab/Simulink的系統仿真技術與應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2002.