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基于Buck-Boost变换方式的逆变器.

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基于Buck-Boost变换方式的逆变器.

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2005 年第 4 期 2005 年 7 月 10 日 机车电传动 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES №4, 2005 July 10, 2005 研 基于 Buck-Boost 变换方式的逆变器 究 开 侯 朝 勇 ,郭 小 舟 发 (西南交通大学 磁浮列车与磁浮技术研究所,四川 成都 610031) 摘 要 :提出了一种基于Buck-Boost 变换方式的逆变器。它能实现输出电压高于输入侧直流电 压,克服在传统桥式逆变器拓扑中输出电压低于输入侧直流电压而造成的直流电压利用率低的问题。 通过改变一个周期内的占空比,以改变单个双向 Buck-Boost 变换器的输出电压。两个相位相差180° 的双向 Buck-Boost 变换器的输出电压相减即可得到较为理想的单相正弦波;三个相位相互相差120° 的双向 Buck-Boost变换器可实现三相逆变。可采用 SPWM 控制功率管的关闭与导通,控制方式采用外 环电压环内环电流环的双环控制。仿真结果验证了提出的正弦波逆变器的可行与有效。 关键词: 逆变器;占空比;双环控制 中图分类号: TM464        文献标识码:A           文章编号:1000-128X(2005)04-0023-04 作者简介:侯朝勇(197 9 -), 男,硕 士 研 究 生 ,研 究 方 向 为 电 力 电 子 技 术 ,计 算 机 控制。 Inverter based on buck-boost conversion  HOU Chao-yong,   GUO  Xiao-zhou (Maglev Vehicle  and Technology Research Institute, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031, China) Abstract:  A new inverter based on Buck-Boost conversion is proposed. The output voltage is higher than the input side DC voltage, which solves the problem of low availability of DC voltage due to the reason that the output voltage is lower that input DC voltage in traditional bridge-type inverter. Through the duty cycle within one cycle, the output voltage is changed for the single dual-direction Buck- Boost converter. Ideal single-phase sine wave could be achieved via subtraction of output voltages with a phase difference of 180°in dual- direction Buck-Boost converter. 3-phase inversion could be realized through the converter with a phase difference of 120°among three phases. On and off of power devices is controlled via SPWM, with a control method of dual loops of external voltage loop and internal current loop. The simulation results indicate the feasibility and efficiency of sine-wave inverter. K e y   w o r d s :    inverter; duty cycle; double loop control 0 引言 电压源逆变器广泛用于各种工业领域,但在传统 的桥式逆变器拓扑中,存在直流电压利用率低的固有 问题。在实际应用中,直流电源一般是从交流电网整流 得到,或者由直流电源直接供应。为了使输出的交流电 压高于输入侧的直流电压,通常将直流侧的输入电压 经过一级 DC/DC 变换器进行升压,但这必将增加整个装 置的体积、质量和价格,而且经过一级 DC/DC 变换,电 能的整体利用效率必将降低。用 Boost 变换方式实现逆 变,用模拟电路实现连续滑模控制策略,可达到输出交 流 电 压 高 于 输 入 侧 直 流 的 目 的[1 ]。一 种 新 型 的 基 于 Buck-Boost 变换方式的电压源逆变器拓扑,无需中间的 收 稿 日 期 :2 0 0 4 - 0 9 - 2 2 ; 收 修 改 稿 日 期 :2 0 0 4 - 1 1 - 3 0 DC/DC 环节,即可使输出的交流电压高于输入侧直流电 压。当要求输出交流电压高于输入侧直流电压时,均可 采用这种逆变方式。 为了提高Buck-Boost 变换方式逆变器的输出性能, 本文提出了一种通过改变功率管的占空比来改变输出 侧电压的方法,并用外环电压环和内环电感电流环的 双环控制策略,来保证逆变器的动态性能。 1 Buck-Boost 变换方式逆变器原理 1.1 单相 Buck-Boost 变换方式逆变器原理 由基本 Buck-Boost  DC/DC 变换器知,若其直流侧输 入电压为Vd,输出电压为Vo,占空比为d,则有  V   o   =    1   −d   d    V  d  。 单相Buck-Boost 变换方式逆变器的基本拓扑如图1 所示。采用2 组对称的双向Buck-Boost 电路;负载跨接 — 23 —                                                   机 车 电 传 动                                                                        2005年 在2 个双向Buck-Boost 变换器的输出端;逆变器包括直 此要求逆变器中的电流能双向流动,如图1 所示。VT1 和 流供电电源Vd,电感L1 和L2,电容C1 和C2,功率开关管 VT1 ̄VT4,续流二极管VD1 ̄VD4 以及负载 Z。 VT2 是一对互补控制的功率开关管,VD1 和 VD2 是反并 二极管。规定电流由电感节点 1 流向 2 为正,相反为负。 逆变器工作状态如图 2 所示。图 2(a)开关 VT1 导通,VT2 断开,电流方向为正,电流经 VT1 流动;图 2(b)开关 VT1 导通,VT2 断开,电流方向为负,电流经VD1 续流;图2 (c)开关 VT1 断开,VT2 导通,电流方向为正,电流经 VD2 续流;图 2(d)开关 VT1 断开, VT2 导通,电流方向为负, 电流经VT2 流动。 图1 单相Buck-Boost 变换方式逆变器拓扑 假设第1 个双向Buck-Boost 变换器的占空比为d1, 第2个双向Buck-Boost 变换器的占空比为d2,则第1个双 向向BBuucckk--BBoooosstt变变换换器器的的输输出出电电压压     V   V  2  1   =  =    1  1  − d  − d  2d  1d  2  1  V  V   d   d    ,。第2个2个变双换 器的输出电压相减即得逆变器的输出电压 Vo = V1 − V2 = 1 d1 − d1 Vd − d2 1− d2 Vd = (1 − d1 d1 − d2 )(1 − d 2 ) Vd   ………………………………………………… (1) 对单相Buck-Boost 变换方式逆变器,输出电压V1 和 V2 在相位上相差 180 °,(d1+d2)T=T,( T:开关周期) 即 d1+d2=1。由于负载跨接在V1 和 V2 的两端,由式(1)可得 逆变器输出电压 Vo = (1 d1 − d2 − d1)(1− d 2 ) Vd = d1 (1 − − (1− d1) d1) ⋅ d1 Vd =    d   1 2 ⋅  d( 1 1  − −  d 1  1  )  V   d   =    k   s  i n  (  ω   t  ) V   d         ………………(  2) 由式(2 )知,直流电压利用率为 Av = Vo Vd = 2d1 −1 d1 ⋅ (1− d1) 当 d1 2⋅d(11 −−d1 1 ) > 1,即    − 1  + 2   5  <    d 1 <   1   时,输出电压高于 输入电压。 当 2 d1 − 1 < 1,即 0 d1 ⋅ (1 − d1) < d1 <  −  1  +     5    时,输出电压低 2 于输入电压。 当  d 1 2 ⋅d(11 −−d1 1)  =1,即d1=   −  1   +2     5     时,输出电压等于输 入电压。 可见,只要调节占空比,即可调节输出电压,克服 了在传统桥式逆变器拓扑中输出电压低于输入侧直流 电压而造成的直流电压利用率低的问题。 由于 D C / A C 逆变器的输出电流是正负交变的,因 — 24 — 图2 逆变器工作状态 Buck-Boost 变换方式逆变器的调制波如图3 所示。 可通过 SPWM 进行调制,因为在一个三角载波周期内, 随着调制正弦波的变化,占空比变化,从而改变了输出 电压。图4 表示了单个双向 Buck-Boost 变换器的输出电 图3 调制波示意图  第4期 侯朝勇,郭小舟:基于 B u c k - B o o s t 变换方式的逆变器 图4 输出电压波形示意图 压随着占空比的变化而变化的波形。2 个双向 B u c k - Boost 变换器的输出电压相减即可得正弦波输出电压, 只要保证开关功率管的频率,即可调制出较好的正弦 波输出电压。 1.2 三相 Buck-Boost 变换方式逆变器原理 三相Buck-Boost 变换方式逆变器的原理同单相 Buck-Boost 变换方式逆变器,逆变器拓扑如图5所示。其 调制波和单相一样,只是 3 个调制波的相位相互相差 120°。假设3个Buck-Boost变换器的占空比分别为 d1、d2 和d3,则3 个Buck-Boost 变换器的输出电压分别为 V A    =   1  − d  1d  1  V   d     ……………………………………(  3) V  B   =   1  −d  2 d  2  V  d     ……………………………………(  4) V  C    =   1  −d   3d  3  V   d    ……………………………………(  5) 式(3 )、(4 )和(5 )相互相减,即可得线电压: V   A  B   =    ( 1   −  d d  11  )− ( 1 d  − 2  d  2  )   V  d   =    k 1   s i  n  ( ω   t ) V   d    …………(   6)  V  B  C   =   ( 1  −  dd  22  )−  (1 d − 3  d  3  ) V  d   =   k  2  s i  n  ω(   t  +  1  2  0   ° ) V  d    …………(  7)  V  C  A   =   ( 1  −  d d 3 3 )−  (1 d − 1  d  1 )  V  d   =  k  3  s  i n  ω(   t  −  1   2  0  °  ) V  d    …………(8) 由式(6) 、(7) 和(8) 可知,只要适当地改变 3 个双向 Buck-Boost 变换器的占空比,就可得到三相正弦波。 三相Buck-Boost 变换方式的逆变器的直流电压利 用率和单相的原理一样,也是靠调节占空比来实现调 节输出电压的。 1.3 Buck-Boost 变换方式逆变器参数的选择 由于单相和三相Buck-Boost 变换方式逆变器均是 由基本的双向Buck-Boost 变换器组成,因此它们的参数 选择方法基本相同。 由文献[4],Buck-Boost 变换器处于电流连续导电 模式时,可得到式(1 )~(8 );处于电流断续导电模式 时,输入电压和输出电压的关系不再是式(1)~(8)。在 电流断续导电模式时,基本的Buck-Boost 变换器的输入 与输出电压之间的关系为  V  o   =   d  V   d     I  o I m o a x        ………………………………(  9)          I  o m  a  x   =   T 2 V L o      ……………………………………(10) 式中:Iomax ——输出电流最大值;    Io ——输出电流。 由式(9)和(10)知,输出电压涉及的变量较多,不 易控制,在设计逆变器参数时要保证单个双向 B u c k - Boost 变换器工作在电流连续导电模式。Buck-Boost 变 换器处于连续导电模式的条件  L  f   >    ( 1   −   d  )  2  V  o       ………………………………(   11) 2Io 式中:f 为功率开关管工作频率。 双向Buck-Boost 变换器中的电容起着使输出电压 近似恒定的作用,即减少输出电压的纹波,因此,滤波 电容越大,纹波越小。但在逆变时,因为要保证电容上 的电压有较快的变化速度,以保证输出电压变化,若滤 波电容太大,会使输出电压变化缓慢,降低逆变器的动 态性能,也会使输出电压不能按占空比的变化而迅速 变化,从而使输出的正弦波变差。因此,纹波的减少,要 靠提高电路的工作频率来保证。 图5 三相Buck-Boost 变换方式逆变器拓扑 2 控制策略 输出电压波形的质量是逆变器的一项重要指标, 并且要求具有很好的动态响应性能。目前,逆变器常见 的控制策略有重复控制、无差拍控制、电压电流双环控 制等。重复控制利用负载扰动的周期性规律,逐周期跟 踪参考波形,使系统在非线性负载下得到较好的输出; 但由于自身的缺陷,控制上有一个输出周期的延迟,因 而其动态响应性较差。无差拍控制根据系统方程及状 态反馈实时计算出本节拍所需要的输出,其突出的优 点是动态响应快;但当系统动态响应过快时会出现较 大的超调量,其计算的实时性强,对硬件的要求高,且 — 25 —                                                   机 车 电 传 动                                                                        2005年 所要求的模型必须相当精确,故对逆变器参数的依赖 出,输出电压可高于直流侧的输入电压,说明了 Buck- 性较强。电压电流双环控制通过采样输出电感电流(或 电容电流)和输出电容电压,用外环电压误差的控制信 Boost 变换方式逆变器拓扑的可行性;当负载由半载切 换到满载和空载切换到满载时,输出电压和电流的波 号去控制电流,通过调节电流使输出电压跟踪参考电 压值,提高系统的动态响应速度。 形说明了采用的控制方法具有较好的动态性能。三相 输出线电压和电流波形如图 9 所示。 本文中采用外环电压环和内环电感电流环的双环控 制策略,电压调节器采用PI 调节,其输出作为内环给定; 电感电流反馈构成内环,电流环设计为电流跟随器性质。 电压基准和输出电压经过电压调节器后作为电流基准。 电流基准和反馈电流的误差经过比例放大作为调制波与 三角载波进行比较,得到正弦脉宽调制信号(SPWM),使 Buck-Boost 变换器的占空比发生变化,达到调节输出电 压的目的。系统控制框图如图 6 所示。 图 8 空 载 切 换 到 满 载 时 输 出 电 压 、电 流 波 形 图6 控制框示意图 3 仿真结果 仿真时输入直流电压 Vd=48 V,功率开关管频率为 25 kHz,双向Buck-Boost 变换器L=0.5 mH,C=47μF ;额 定负载取为感性负载,电阻为20 Ω,电感为0.2 H。单相 输出电压幅值为 220 V,三相输出线电压幅值为220 V; 输出电压频率为 50 Hz;在正弦性较好的情况下,逆变 器输出频率可达 400 Hz。但这种逆变器及采用的控制方 法更适合于输出频率固定的应用场合,如UPS 等,因为 在功率开关管频率一定时,既要得到较高的输出电压, 又要得到较高的输出频率,会使输出电压波形变差。单 相输出电压和电流波形如图 7 、图 8 所示。从图中可看 图 9 额 定 负 载 时 三 相 输 出 线 电 压 、电 流 波 形 4 结束语 本文中提出了一种基于Buck-Boost 变换方式的单 相(三相)逆变器,有效地解决了传统桥式逆变器拓扑 中直流电压利用率低的问题;并且提出了基于改变占 空比来调节输出电压方法的电压电流双环控制策略。 仿真结果证明了基于占空比调节的 Buck-Boost 变换方 式逆变器的可行性和有效性。但由于电路是否处于电 流连续工作状态与负载有关,为保证在负载变化较大 时电路仍处于电流连续工作状态,要求电路工作频率 较高,对控制系统的动态调节速度要求也较高。 图 7 半 载 切 换 到 满 载 时 输 出 电 压 、电 流 波 形 参考文献: [1]Ramon O Cacers and Ivo BarBi. A Boost DC-AC Converter: Analysis,Design,and Experimentation[J].  IEEE Trans on Power Electronics ,1999, 14(1):134- 1 4 1 . [2]严干贵,等.  基于占空比调节的悬浮电容五电平 PWM 控制 [J].  电力系统自动化 ,2003,27(18):38- 42. [3 ]陈东华,等.   瞬时值电流控制逆变技术比较[J ].   南京航空 航天大学学报 ,2004,36(3):333- 337. [4 ]林 渭 勋. 现 代 电 力 电 子 电 路 [M ].   杭州:浙 江 大 学 出 版 社 , 2002. — 26 —

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