AC/AC變換器在不同控制策略下的仿真研究

管添益，張智祿，黃 鵬，周 園

（中國船舶集團有限公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214000）

0 引 言

AC/AC變換是電能變換的一種，通過調節輸入電壓，可以實現交流量幅值和相位的改變。實現AC/AC電能直接變換的方法通常有兩種：旋轉變流機和靜止變流器。前者是通過各類型電機組接連實現；后者是通過半導體功率器件來實現[1，2]。隨著社會發展，電氣設備越來越傾向于功率密度大、體積小、質量輕等特點，靜止變流器的優勢則更加明顯。目前，基于靜止變流器的AC/AC變換器擁有廣泛的應用領域，如交流穩壓場合、交流調壓場合。

1 控制策略介紹

1.1 正弦脈寬脈位調制

正弦脈寬脈位調制方法在單相逆變器中擁有著出色的表現。在AC/AC變換器領域中，陳道煉教授進行了深入地研究，并提出了相關的理論與實踐操作方法。進行仿真時，其主電路如圖1所示。

圖1 AC/AC變換器拓撲結構

在該拓撲中，對開關管的觸發控制采用單極性移相控制的方法。其反饋控制采用電壓單環瞬時值比較的方法，過程在于將輸出電壓的瞬時值作為反饋量，與標準正弦波的瞬時值做比較，其差值通過PI控制器得到偏差量，該偏差量與其反相量與三角波進行比較獲得正弦脈寬脈位調制（Sinusoidal Pulse Width Position Modulation，SPWPM）波，由此來獲得主電路中每一個開關管的觸發信號[3]。在主電路輸入有諧波的情況下，一個開關周期內，通過改變開關管的觸發信號可改變超前臂與滯后臂之間的移相角，從而就能改變電路的占空比，達到控制占空比來降低輸出電壓諧波含量的要求。

1.2 正弦波絕對值調制

第二種控制策略是在第一種反饋控制策略的基礎上加以改進的，仍舊采用瞬時PI控制的方法，但與前一種控制策略的不同之處在于其對反饋量取絕對值[4，5]。

進行仿真時，該反饋控制策略主電路與圖1一致，并且在對開關管的觸發控制上仍采用單極性移相控制的方法。其反饋控制采用電壓單環瞬時值和絕對值比較的方法，過程在于將輸出電壓的瞬時值作為反饋量，與標準正弦波的瞬時值做比較，輸出電壓的反饋量與標準正弦波都需要取絕對值，通過PI控制器后的偏差量也取絕對值[5]。該偏差量的絕對值與三角波進行比較獲得SPWM波，由此獲得主電路中每一個開關管的觸發信號。當輸入有諧波時，通過輸出與標準正弦波比較，其誤差值最終可調節占空比的大小，即可進行電壓補償。

1.3 基于d-q變換的雙閉環控制

第三種控制策略則采用了一種構造補償函數的方法來消除諧波。假設網側的輸入電壓為基波與高次諧波的表達式，將其進行傅里葉分解，如下式所示：

開關函數f(t)的傅里葉級數表達式可由下式表示：

利用開關函數和輸入電壓表達式，根據輸入輸出關系，可以得到輸入帶有諧波分量時的輸出電壓表達式。又已知在穩態的時候開關函數即為恒定的占空比，但由于有諧波的存在，需對占空比進行補償［7］。設置開關函數的補償函數，要求輸出時無諧波，則可以得到補償函數的表達式。通過構造補償函數則可以消除電路中使輸出發生畸變的諧波［7］。

2 仿真結果及分析

根據拓撲結構，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，為測試其諧波抑制的能力，向輸入電壓注入低次諧波（高次諧波可由無源器件濾除），輸入電壓諧波含量統一為23.19%，其輸入、輸出波形分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 采用正弦脈寬脈位調制策略

圖3 采用正弦波的絕對值作為調制波的調制策略

圖4 基于d-q變換進行的雙閉環控制策略

現將3種反饋控制策略的各項性能列表比較如下。表中列出了輸入輸出諧波含量、輸入輸出電壓幅值以及基準值各項內容，如表1所示

表1 3種不同反饋控制策略性能比較

3 結 論

由此可見，文中的3種控制策略各有優缺點。正弦脈寬脈位調制方式簡單，但去除諧波，效果略差。采用正弦波的絕對值作為調制波的調制策略，去除諧波時效果較好，但輸出電壓的幅值不能完全跟隨給定，有穩態靜差。而基于d-q變換的雙閉環反饋控制的控制結構比較復雜。但是由于采用的PI控制器對直流跟隨性能最好，所以雙閉環控制的PI參數較好設置，同時可以實現無靜差控制。