李 輝，胡根連，袁義生

（1.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，湖南 株洲 412000；2.華東交通大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引言

兩級(jí)式逆變器由于控制簡(jiǎn)單、輸入電壓范圍大、前后級(jí)可以實(shí)現(xiàn)功率解耦等諸多優(yōu)點(diǎn)，在動(dòng)車(chē)組（如FXD1 型動(dòng)車(chē)組）、電力機(jī)車(chē)單相逆變電源中得到了廣泛的應(yīng)用，電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。然而，這類(lèi)產(chǎn)品由于設(shè)計(jì)門(mén)檻不高，通用技術(shù)較為成熟，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)主要對(duì)機(jī)械電氣接口、空間尺寸及外形等方面做了大量工作，而對(duì)于產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)性方面投入的精力較少。技術(shù)審查和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此類(lèi)產(chǎn)品一般技術(shù)含量不高、效率較低。隨著中國(guó)軌道交通裝備的不斷崛起，并逐步趕超世界先進(jìn)水平，對(duì)車(chē)載電器設(shè)備的要求也越來(lái)越高。因此，對(duì)車(chē)載兩級(jí)式逆變器在全工作范圍內(nèi)的效率提升技術(shù)研究顯得十分有意義。

圖1 兩級(jí)式單相逆變器原理圖

目前，為提升兩級(jí)式逆變器工作效率，設(shè)計(jì)時(shí)主要對(duì)電路拓?fù)浜涂刂撇呗赃M(jìn)行優(yōu)化兩個(gè)方面，基本思路是通過(guò)單獨(dú)研究前后電路的效率優(yōu)化，進(jìn)而達(dá)到整體優(yōu)化的目的。但是，由于前后級(jí)電路是一個(gè)整體，僅僅從單個(gè)電路的角度出發(fā)無(wú)法根本達(dá)到系統(tǒng)級(jí)的效率優(yōu)化。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，系統(tǒng)的效率也難以實(shí)現(xiàn)全輸入電壓范圍、全負(fù)載范圍的綜合提升。

本文分析了車(chē)載逆變器的效率與中間母線電壓的關(guān)聯(lián)，功率前饋策略對(duì)于系統(tǒng)中間母線電壓特性的改善，將實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)母線電壓的效率尋優(yōu)化控制與功率前饋策略相結(jié)合，通過(guò)抑制中間母線電壓的紋波和提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能可以大大拓寬Ub的調(diào)節(jié)范圍，最終實(shí)現(xiàn)了逆變器的實(shí)時(shí)效率尋優(yōu)控制。

1 車(chē)載逆變器效率與中間電壓的關(guān)聯(lián)

在傳統(tǒng)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(duì)兩級(jí)式逆變器前后級(jí)電路的損耗具有十分關(guān)鍵的影響。輸入輸出電壓的波動(dòng)帶來(lái)了占空比的變化，也改變了流過(guò)各個(gè)器件的電流有效值，同時(shí)也改變了前后電感上紋波電流，進(jìn)而影響了功率管的損耗和磁性器件的損耗。因?yàn)閾p耗的復(fù)雜性，占空比對(duì)損耗的影響也是相當(dāng)復(fù)雜，很難從理論上得到一個(gè)精確值[1-2]。

所以，想預(yù)先設(shè)計(jì)一個(gè)最優(yōu)的中間電壓Ub，來(lái)得到綜合效率最優(yōu)的車(chē)載逆變器是不太現(xiàn)實(shí)的。因此，需要在一定范圍內(nèi)調(diào)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(jí)電路控制方法

根據(jù)分析，為了拓寬效率優(yōu)化的空間，就需要拓寬中間母線電壓Ub的穩(wěn)定工作范圍。然后通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)中間母線電壓Ub可以達(dá)到對(duì)系統(tǒng)效率提升的目的。同時(shí)，受限于開(kāi)關(guān)器件的電壓等級(jí)、電路前后級(jí)的電壓匹配以及成本等因素，對(duì)Ub的設(shè)置還需規(guī)定上、下限值。

在一個(gè)單相輸出逆變器中，中間母線電壓存在二次諧波的穩(wěn)態(tài)紋波分量。投、卸載時(shí)中間母線電壓也有下跌和上沖的動(dòng)態(tài)分量。為了防止中間母線電壓因過(guò)壓或者欠壓而觸發(fā)保護(hù)，這些分量在一定程度上抑制了Ub的可調(diào)范圍。為控制中間電壓，比較傳統(tǒng)的控制方式是采用電壓外環(huán)而電流內(nèi)環(huán)的方案。然而，這種控制方法的問(wèn)題在于存在滯后性，即電流iin的響應(yīng)干預(yù)是等到電壓Ub出現(xiàn)波動(dòng)之后，動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對(duì)較差，這也限制了該電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

本文提出的功率前饋控制是將實(shí)時(shí)采集的逆變側(cè)的瞬時(shí)輸出功率與輸入電壓相除，進(jìn)而得到瞬時(shí)電流iL’，隨后將該電流值與前級(jí)的原電流內(nèi)環(huán)值相加，作為電流內(nèi)環(huán)的給定，如圖2 所示。這樣一來(lái)，當(dāng)輸出功率Po發(fā)生變化而壓Ub還未波動(dòng)前，通過(guò)iL’的作用及時(shí)作出調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到抑制了中間電壓Ub波動(dòng)的目的。所以，功率前饋控制算法的應(yīng)用可以有效降低中間電壓Ub的波動(dòng)范圍，拓寬穩(wěn)態(tài)調(diào)整范圍。

該控制策略繼續(xù)調(diào)整軟件，不需要新增其他硬件和設(shè)備，且能達(dá)到較好的預(yù)期。

圖2 兩級(jí)式逆變器控制框圖

3 綜合效率尋優(yōu)控制

本文提出綜合效率尋優(yōu)控制方法是通過(guò)調(diào)整中間電壓Ub，增加前級(jí)電路前饋控制的綜合算法來(lái)提高Ub的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的綜合效率最優(yōu)化的控制方法[4]。

在控制上，中間電壓的調(diào)整采用擾動(dòng)Ub的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的動(dòng)態(tài)尋優(yōu)，即控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)工作效率，如果效率降低則在原有Uref基礎(chǔ)上施加擾動(dòng)量ΔU作為新的母線電壓參考值。依此規(guī)律不停調(diào)整中間母線電壓參考值實(shí)時(shí)調(diào)整了系統(tǒng)的效率，使得系統(tǒng)效率不斷提高而得到效率最優(yōu)化。尋優(yōu)的邊界條件是文中所述的中間母線電壓達(dá)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(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證綜合效率尋優(yōu)控制的有效性和正確性，搭建了一臺(tái)1 kW 的樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，樣機(jī)的輸入電壓為180 V，后級(jí)輸出電壓360 V。

通過(guò)圖4 的試驗(yàn)波形對(duì)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(fù)載突投時(shí)，中間電壓Ub也表現(xiàn)出了較好的動(dòng)態(tài)性能。這標(biāo)明前饋控制可在一定程度上拓寬了Ub的調(diào)節(jié)范圍。

圖3 功率前饋尋優(yōu)控制

圖4 試驗(yàn)波形對(duì)比

通過(guò)圖5 的施加擾動(dòng)的試驗(yàn)波形對(duì)比可知，雖然傳統(tǒng)控制和前饋控制均能使得系統(tǒng)效率趨于穩(wěn)定，但是后者明顯控制控制性能更佳，電壓波動(dòng)被限制在很小的范圍，使得整機(jī)工作效率更優(yōu)。

圖5 施加擾動(dòng)的試驗(yàn)波形對(duì)比

不同輸出功率時(shí)的系統(tǒng)效率對(duì)比如圖6 所示。

圖6 工作效率對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)和分析，在額定負(fù)載下的擾動(dòng)前的系統(tǒng)效率約為94.5%，而擾動(dòng)后的系統(tǒng)效率提高到約95.4%，采用前饋功率尋優(yōu)策略后的系統(tǒng)效率進(jìn)一步提高到約95.8%。本文提出的綜合的功率尋優(yōu)控制方法可有效提高系統(tǒng)綜合工作效率，證明了其有效性和正確性[3-4]。

5 結(jié)論

本文針對(duì)既有動(dòng)車(chē)組、電力機(jī)車(chē)中常用的兩級(jí)單相逆變器效率相對(duì)較低，控制相對(duì)粗放的問(wèn)題，提出了逆變器功率前饋尋優(yōu)控制方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(yùn)用，但是為進(jìn)一步提高車(chē)載控制電源的技術(shù)含量和工作性能進(jìn)行了前瞻性的探索。