一種基于瞬時值反饋控制的車載逆變電源仿真研究

摘 要：電壓單環控制的單相逆變電源抗干擾能力較差，而且對非線性負載的響應較慢。針對高速動車組車廂內旅客用電設備種類多、非線性、負載容量不固定的特點，本文采用基于瞬時值反饋的雙閉環控制策略，通過電流內環控制瞬時值，外環控制電壓有效值。同時，考慮直流電壓波動，在內環引入直流電壓波動量，提高了不同輸入直流電壓下的可靠性。當負載變化或輸入直流電壓波動時，該控制策略能夠實現輸出電壓幅值和波形的穩定。通過仿真，驗證了該控制策略的有效性。

關鍵詞：逆變電源;雙閉環控制;直流電壓反饋;抗干擾

近年來，我國高速鐵路飛速發展，使人們的出行變的極為便利。高鐵列車作為鐵路運輸的重要裝備，結合了當代多種先進科技，得到了廣大旅客的青睞。車載單相逆變電源不僅能夠給手機、便攜式電腦充電，還能夠給車上一些低功率設備使用，其輸出電能質量至關重要[2]。本文針對單相車載逆變電源直流電壓波動問題，考慮直流電壓波動，在雙閉環控制系統中引入直流電壓誤差，該策略能夠消除由輸入直流電壓帶來的擾動，保正單相車載逆變電源輸出的電能質量。

一、主電路結構

圖1為單相車載逆變電源的主電路結構，主要由單相全橋逆變器和電感、電容組成的LC濾波電路構成。

圖1中，全橋逆變器由4個全控型功率開關管組成，每個開關管反并聯續流二極管。濾波電路由電感Lf和電容Cf構成[2，3]。建立數學模型時，以電容端電壓uo和電感電流iL作為狀態變量，忽略線路阻抗，可將其狀態方程描述為：

把功率開關當作理想元件處理，當其開關頻率遠高于輸出電壓的基波頻率和濾波電路的截止頻率時，該逆變電路可以等效成一個比例放大器。

二、控制策略設計

通過實時采集的電感電流iL和電容電壓uo，電流內環控制電壓瞬時值，電壓外環實現對電壓有效值的定值控制。外環調節器根據負載變化實時地調整，將測得的輸出電壓有效值與給定值形成偏差，經過電壓控制器調節后與標準正弦波相乘作為電流內環的給定。內環中，考慮輸入直流電壓波動，將輸入直流電壓給定和實際值的差值作為直流電壓波動量引入內環控制，對輸出電壓進行補償，能夠消除直流電壓波動造成的誤差，提高閉環控制系統性能。該控制可以實現輸出電壓有效值對標準正弦波型的跟蹤，在負載變化或輸入直流電壓波動時，保證電壓幅值穩定和波形的正弦性[4]。控制框圖如圖3所示。

電壓外環形成的電壓瞬時值與內環實際輸出的瞬時值比較，計算得到的誤差經過比例微分控制器生成參考波與三角波進行比較，進而產生觸發信號來控制開關管的通斷。

三、仿真分析

為了驗證本文提出的控制策略的正確性，利用Simulnk仿真工具搭建仿真模型，以220V/50Hz交流負載為應用基礎，針對不同負載和直流電壓出現波動工況進行仿真實驗[5]。仿真參數如表1所示。

圖3～圖5為不同負載和直流電壓工況下的仿真結果。從圖3中可以看出，在空載和滿載時輸出電壓波形都具有良好的正弦性且電壓幅值較穩定。當負載從空載到滿載切換時，輸出電壓未出現明顯畸變。圖4和圖5分別為輸入直流電壓值跌落為額定值90%和突變至額定值110%時的仿真結果。從結果中可以看出，引入直流電壓誤差控制后，通過內環調節有效消除了由直流電壓波動引起的輸出電壓的幅值誤差。對輸出電壓進行FFT分析，電壓幅值為312.4V，總諧波畸變率最大值為0.93%，電壓總諧波畸變率較低，波形具有較高的正弦度。

本文針對高速鐵路動車組單相車載逆變電源提出了一種基于瞬時值反饋的雙閉環控制策略。考慮輸入直流電壓波動，將輸入直流電壓給定和實際值的差值作為直流電壓波動量引入內環控制，對輸出電壓進行補償，消除了直流電壓波動引起的輸出交流電壓造成的誤差，提高了控制系統的性能。具有良好的穩態特性和動態特性。

參考文獻：

[1]康猛，單相雙級型隔離逆變電源研究[D].北京交通大學，2018.

[2]王志偉，一種基于內環電感電流反饋的車載逆變電源控制策略研究[J].鐵道車輛，2017.

[3]廖云濤，高速列車單相隔離逆變電源的研究與設計[D].北京交通大學，2016.

[4]魏宏斌，基于混合儲能的配電系統電子電力變壓器研究[D].蘭州交通大學，2018.

[5]朱承邦，李樂，王曉鵬， 基于SPWM控制的電壓、電流雙環逆變器建模及其仿真[J].中國艦船研究，2009（05）.