一種基于功率前饋的車載逆變器效率尋優控制方法

李 輝，胡根連，袁義生

（1.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000；2.華東交通大學 電氣與自動化工程學院，江西 南昌 330013）

0 引言

兩級式逆變器由于控制簡單、輸入電壓范圍大、前后級可以實現功率解耦等諸多優點，在動車組（如FXD1 型動車組）、電力機車單相逆變電源中得到了廣泛的應用，電路結構如圖1 所示。然而，這類產品由于設計門檻不高，通用技術較為成熟，在設計開發時主要對機械電氣接口、空間尺寸及外形等方面做了大量工作，而對于產品技術先進性方面投入的精力較少。技術審查和試驗發現，此類產品一般技術含量不高、效率較低。隨著中國軌道交通裝備的不斷崛起，并逐步趕超世界先進水平，對車載電器設備的要求也越來越高。因此，對車載兩級式逆變器在全工作范圍內的效率提升技術研究顯得十分有意義。

圖1 兩級式單相逆變器原理圖

目前，為提升兩級式逆變器工作效率，設計時主要對電路拓撲和控制策略進行優化兩個方面，基本思路是通過單獨研究前后電路的效率優化，進而達到整體優化的目的。但是，由于前后級電路是一個整體，僅僅從單個電路的角度出發無法根本達到系統級的效率優化。同時，當系統設計完成后，系統的效率也難以實現全輸入電壓范圍、全負載范圍的綜合提升。

本文分析了車載逆變器的效率與中間母線電壓的關聯，功率前饋策略對于系統中間母線電壓特性的改善，將實時調節母線電壓的效率尋優化控制與功率前饋策略相結合，通過抑制中間母線電壓的紋波和提高系統的動態性能可以大大拓寬Ub的調節范圍，最終實現了逆變器的實時效率尋優控制。

1 車載逆變器效率與中間電壓的關聯

在傳統的控制方法中，中間母線電壓在控制上一般是維持不變的。但是，中間母線電壓Ub對兩級式逆變器前后級電路的損耗具有十分關鍵的影響。輸入輸出電壓的波動帶來了占空比的變化，也改變了流過各個器件的電流有效值，同時也改變了前后電感上紋波電流，進而影響了功率管的損耗和磁性器件的損耗。因為損耗的復雜性，占空比對損耗的影響也是相當復雜，很難從理論上得到一個精確值[1-2]。

所以，想預先設計一個最優的中間電壓Ub，來得到綜合效率最優的車載逆變器是不太現實的。因此，需要在一定范圍內調整中間母線電壓Ub值，以獲得更好的工作效率。

2 基于功率前饋的前級電路控制方法

根據分析，為了拓寬效率優化的空間，就需要拓寬中間母線電壓Ub的穩定工作范圍。然后通過實時調節中間母線電壓Ub可以達到對系統效率提升的目的。同時，受限于開關器件的電壓等級、電路前后級的電壓匹配以及成本等因素，對Ub的設置還需規定上、下限值。

在一個單相輸出逆變器中，中間母線電壓存在二次諧波的穩態紋波分量。投、卸載時中間母線電壓也有下跌和上沖的動態分量。為了防止中間母線電壓因過壓或者欠壓而觸發保護，這些分量在一定程度上抑制了Ub的可調范圍。為控制中間電壓，比較傳統的控制方式是采用電壓外環而電流內環的方案。然而，這種控制方法的問題在于存在滯后性，即電流iin的響應干預是等到電壓Ub出現波動之后，動態響應相對較差，這也限制了該電壓的動態響應。

本文提出的功率前饋控制是將實時采集的逆變側的瞬時輸出功率與輸入電壓相除，進而得到瞬時電流iL’，隨后將該電流值與前級的原電流內環值相加，作為電流內環的給定，如圖2 所示。這樣一來，當輸出功率Po發生變化而壓Ub還未波動前，通過iL’的作用及時作出調整，進而達到抑制了中間電壓Ub波動的目的。所以，功率前饋控制算法的應用可以有效降低中間電壓Ub的波動范圍，拓寬穩態調整范圍。

該控制策略繼續調整軟件，不需要新增其他硬件和設備，且能達到較好的預期。

圖2 兩級式逆變器控制框圖

3 綜合效率尋優控制

本文提出綜合效率尋優控制方法是通過調整中間電壓Ub，增加前級電路前饋控制的綜合算法來提高Ub的穩態及動態響應，最終實現整個系統的綜合效率最優化的控制方法[4]。

在控制上，中間電壓的調整采用擾動Ub的方式實現系統效率的動態尋優，即控制系統實時計算系統工作效率，如果效率降低則在原有Uref基礎上施加擾動量ΔU作為新的母線電壓參考值。依此規律不停調整中間母線電壓參考值實時調整了系統的效率，使得系統效率不斷提高而得到效率最優化。尋優的邊界條件是文中所述的中間母線電壓達到最大限幅值或最小限幅值。電路工作原理如圖3 所示。

4 實驗及結果

為了驗證綜合效率尋優控制的有效性和正確性，搭建了一臺1 kW 的樣機進行測試，樣機的輸入電壓為180 V，后級輸出電壓360 V。

通過圖4 的試驗波形對比可知，采用功率前饋控制策略能夠更好的抑制中間電壓Ub的諧波；負載突投時，中間電壓Ub也表現出了較好的動態性能。這標明前饋控制可在一定程度上拓寬了Ub的調節范圍。

圖3 功率前饋尋優控制

圖4 試驗波形對比

通過圖5 的施加擾動的試驗波形對比可知，雖然傳統控制和前饋控制均能使得系統效率趨于穩定，但是后者明顯控制控制性能更佳，電壓波動被限制在很小的范圍，使得整機工作效率更優。

圖5 施加擾動的試驗波形對比

不同輸出功率時的系統效率對比如圖6 所示。

圖6 工作效率對比

通過試驗和分析，在額定負載下的擾動前的系統效率約為94.5%，而擾動后的系統效率提高到約95.4%，采用前饋功率尋優策略后的系統效率進一步提高到約95.8%。本文提出的綜合的功率尋優控制方法可有效提高系統綜合工作效率，證明了其有效性和正確性[3-4]。

5 結論

本文針對既有動車組、電力機車中常用的兩級單相逆變器效率相對較低，控制相對粗放的問題，提出了逆變器功率前饋尋優控制方法，并通過實驗證明了控制策略的正確性和有效性。本方案雖暫未投入批量運用，但是為進一步提高車載控制電源的技術含量和工作性能進行了前瞻性的探索。