三相单级非隔离Cuk逆变器研究

电气传动2016年第46卷第6期三相单级非隔离Cuk逆变器研究张代润，曾振浩，熊明望，程满（四川大学电气信息学院，四川成都610065）摘要：由3个完全相同的独立的Cuk变换器构成一个三相单级非隔离逆变器。对该电路的工作原理和控制策略进行了分析，针对传统电压控制方式中，输出电压波形含有大量二次谐波，且采用传统改变电路参数的滤波方法可能导致造成整个逆变器的尺寸增大，价格及损耗增高，甚至使整个系统控制更加复杂这一问题，在系统中加入合适的带通滤波器以及适当的比例谐振（PR）控制器，在改善输出电压质量的同时，不影响系统的控制性能。最后在Matlab/Simulink环境下建立了控制系统的仿真模型，验证了新控制系统的可行性，并取得了较好的波形质量。关键词：逆变器；Cuk变换器；比例—谐振控制；单级；非隔离中图分类号：TM464文献标识码：AStudyofThree-phaseSingle-stageNon-isolatedInverterBasedonCukConverterZHANGDairun，ZENGZhenhao，XIONGMingwang，CHENGMan（SchoolofElectricalEngineeringandInformation，SichuanUniversity，Chengdu610065，Sichuan，China）Abstract:Athree-phasesingle-stagenon-isolatedinverterconsistsofthreeDC/DCCukconverters.Theworkingprincipleandcontrolstrategyofthecircuitwasanalyzed.Theoutputvoltagewaveformcontainedalotofthesecondharmonicwithconventionalvoltagecontrolmode.However，thetraditionalmethodchangingthecircuitparameterstodecreaseharmonicwillaffectthesize，cost，andlosses，andwilladdtothecontrolcomplexity.Proposedaddingasuitablebandpassfilterandanappropriateproportional-resonant（PR）controllerinthesystem，toimprovethequalityoftheoutputvoltageanddonotaffectthecontrolperformanceofthesystematthesametime.ThesimulationofthecontrolsystemwasbuiltwithMatlab/Simulink.Thesimulationresultsshowthefeasibilityofthenovelinverterschemeandtheoutputwaveformisgood.Keywords:inverter；Cukconverter；proportional-resonant（PR）control；single-stage；non-isolated作者简介：张代润（1965-），男，教授，Email：[e-mail]2016Vol.46No.6近年来，由于能源消耗的激增，分布式能源（distributedenergy）系统正得到广泛的认可。不同类型的分布式能源，如光伏发电，风力发电和燃料电池已经引起了极大的关注，因为对环境无污染，因此它们被称为“绿色动力”，或可再生能源［1］。电力电子作为分布式能源系统组成的一部分，能够将这些系统产生的电能转换成消费者可使用的形式［2］。逆变器就是完成能量变换所需的最常用的电力电子装置［3］。传统逆变器拓扑有电压型和电流型两种，大多采用桥式逆变主电路结构。电压型逆变器只能实现降压，即交流侧电压峰值低于直流侧电压；电流型逆变器只能实现升压，既交流侧电压高于直流侧电压。如果直流侧电压的变化幅度较宽，两种逆变器结构都不能满足要求。构造升降压型逆变器的另一种思路，是采用基本DC/DC变换电路组合的方式，直接构造新型逆变器拓扑［4］。近年来，作为逆变器拓扑结构研究的一个新方向，基于DC/DC拓扑结构的DC/AC新型逆变器具有结构简单等传统逆变器无法比拟的优势，正不断吸引国内学者的关注和研究［5］。根据逆变器输出部分不同形式，可将这类逆变器分为两类：一类是将负载两端分别接在2个DC/DC变换器的输出端，这2个变换器输出含相同直流分量的正弦电压，通过把2个相位相反的电压“相减”，即可在负载上得到不含直流分量的正弦电压，这类33电气传动2016年第46卷第6期称为串联输出单级逆变器［6］；另一类是将负载的一端同时接在2个变换器的输出端，另一端接地，2个变换器各工作半个工频周期，这类称为并联输出单级逆变器［4］。Cuk变换器具有可实现升降压，电流连续，适用于直流输入电压宽范围变化的可再生能源发电系统等优点。它对输入电压的要求不高，在输入为平稳的直流的条件下，Cuk变换器可输出非常平稳的直流电压，脉动极小，且可通过适当增大电感或者提高开关频率，就可以使输出电压纹波大大减小，甚至可使输出电压几乎没有纹波。根据基本Cuk变换器的原理，其输出与输入电压之间的比值理论上可以在0~∞变化［7］。本文基于Cuk变换器实现三相逆变，通过介绍其工作原理及控制策略的分析，并对其进行仿真研究，验证理论分析的正确性。1拓扑结构及工作原理基本Cuk变换器电路拓扑如图1所示。由基本Cuk变换器可知，若其直流侧输入电压为Vin，输出电压为Vo，占空比为D，则有Vo/Vin=D/（1-D）［7-8］。对变换器进行适当的SPWM调制，即可得到输出为正弦的电压波形。本文研究的三相单级Cuk逆变器示意图如图2所示。图2中每个Cuk变换器都将输出正弦电压，且均包含有直流分量。假设3个Cuk变换器的占空比分别为D1,D2,D3,则3个Cuk变换器的输出电压分别为Va=D11-D1Vin（1）Vb=D21-D2Vin（2）Vc=D31-D3Vin（3）以上各式相减即可得到线电压Vab=D1-D2(1-D1)(1-D2)Vin=k1Vinsin(ωt)（4）Vbc=D2-D3(1-D2)(1-D3)Vin=k2Vinsin(ωt-120°)（5）Vca=D3-D1(1-D3)(1-D1)Vin=k3Vinsin(ωt+120°)（6）由式（4），式（5）和式（6）可知，只要适当地改变3个Cuk变换器的占空比，就可得到三相正弦波。2控制策略目前，逆变器常见的控制策略有比例积分（proportionalintegral，PI）控制、重复控制、滞环控制、无差拍控制、滑模变结构控制［9-10］、电压电流双环控制等。重复控制最初应用于逆变器控制可追溯至1988年，作为一种基于内膜原理控制方法，在稳态时可实现对交流信号跟踪的零误差；无差拍控制是一种基于电路模型的控制方法，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，无论是在动态响应还是在控制精度上无差拍控制都有较突出的优势；滑模变结构控制作为变结构控制系统的一种控制方法，系统的“结构”是时变的，且在一定条件下沿规定的状态轨迹做小幅度、高频率的上下运动［11］；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。以上控制方式在实现逆变器性能的同时或多或少存在着一些问题。重复控制由于自身的缺陷，控制上有一个输出周期的延迟，因而其动态响应性较差。使用无差拍控制时，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，且所要求的模型必须相当精确，故对逆变器参数的依赖性较强［12］。传统电压控制结构框图如图3所示，其中电图1基本Cuk变换器电路拓扑图Fig.1BasicCukconvertercircuittopology图2三相单级非隔离Cuk逆变器电路拓扑图Fig.2Three-phasesingle-stagenon-isolatedCukinvertercircuittopology张代润，等：三相单级非隔离Cuk逆变器研究34电气传动2016年第46卷第6期压调节器采用PI控制。传统电压控制将给定参考电压V*abc与Cuk变换器实际输出电压Vabc相比较，并将它们的差值送入电压调节器，经过PI调节后，结果作为驱动电路的输入参数，最终通过驱动电路生成3个变换器所需的驱动信号。选取输入直流电源Vin=50V，输入电感L1=1mH，输出电感L2=1mH，电容C=10μF，负载Z=1Ω，参考电压峰值为25V，开关频率为50kHz，利用Matlab/Simulink对上述选定参数的三相逆变器，通过采用传统电压控制对系统进行仿真，得到负载上输出电压波形如图4所示。对上述输出电压a相进行谐波分析，结果如图5所示。从图5中可以看出，输出电压波形中含有大量的谐波，总含量达到6.63%，其中二次谐波含量最高，具体分析达到5.27%。通常情况下可通过改变Cuk变换器自身的参数（如增大电感L1，L2或电容C的值）改善输出波形质量，但改变变换器的参数往往会造成整个逆变器的尺寸增大，价格及损耗增高，甚至使整个系统控制更加复杂化。为此，本文利用在原系统中加入合适的PR控制器，达到抑制相关谐波的目的，为了有针对性的抑制相关谐波，在PR控制器前相应加入适当的带通滤波器，其控制系统如图6所示。PR控制器传递函数如下：Gpr=Kpr+Krrss2+ω2（7）其中ω=2πf式中：f为输出电压基波频率。为了不影响原系统PI控制器的性能，PR控制器中各参数应尽量选取得小一些。原系统波特图如图7所示。加入PR控制器后系统的波特图如图8所图3传统电压控制结构Fig.3Conventionalvoltagecontrolstructure图4传统电压控制下输出电压波形Fig.4Outputvoltagewaveformsundertheconventionalvoltagecontrol图5输出电压谐波分析Fig.5Harmonicanalysisofoutputvoltage图6加入PR控制器后系统控制结构Fig.6ControlstructureafteraddingaPRcontroller图7原系统波特图Fig.7Bodediagramoftheoriginalsystem图8加入PR控制器后系统波特图Fig.8BodediagramafteraddingaPRcontroller张代润，等：三相单级非隔离Cuk逆变器研究35电气传动2016年第46卷第6期示。两图比较可以看出加入PR控制器后并未对系统的控制性能造成太大的影响。带通滤波器的主要作用是提取输出电压波形中的二次谐波分量，如果将三相逆变器应用于并网情况下，则应考虑电网频率的波动，在设计带通滤波器的带宽时，应能够适应电网频率在±1%内的波动。3仿真分析为了验证系统的可行性，在Matlab/Simulink平台下根据控制框图建立逆变器仿真模型，对系统进行建模仿真。逆变器主要参数为：输入直流电源Vin=50V，输入电感L1=1mH，输出电感L2=1mH，电容C=10μF，负载Z=1Ω，参考电压峰值为25V，开关频率为50kHz。图9为改进后逆变器负载上电压波形。对改进后逆变器输出电压a相进行谐波分析，结果如图10所示。从图10中可以看出谐波总含量由改进前的6.63%降为2.73%，其中二次谐波降幅明显，由改进前的5.27%降为0.06%。4结论本文介绍了由3个基本Cuk变换器组成的三相逆变器的工作原理，并研究了其控制方法，在不影响原系统控制性能的前提下，改进了电压控制方案，通过在原控制系统中加入合适的带通滤波器以及适当的PR控制器，以