東莞理工學(xué)院 黃鵬峰 張 志 張潤超 賴宇威 付 威

深圳市同立方科技有限公司 葉曉東

隨著生產(chǎn)和生活需求的不斷提高，市場對高品質(zhì)的電能需求不斷增加。當供電停止或者處于離網(wǎng)狀態(tài)時，為了更好的使用電能，本課題設(shè)計了一種作應(yīng)急電源使用的兩級式儲能變流器。

首先，通過分析和比較常用的斬波電路與逆變電路拓撲，篩選前級采用升壓電路和后級采用全橋逆變的兩級式拓撲作為儲能變流器主電路拓撲。然后對前級升壓電路和后級全橋逆變電路分別采用了相應(yīng)的控制策略，搭建了小功率的基于DSP的實驗平臺，并進行了軟件編寫，對所提的拓撲及控制方法進行了仿真和實驗驗證。

圖1 Boost電路

圖2 逆變器主拓撲

1 前級DC/DC電路拓撲及其工作原理

圖1所示的是Boost電路，當功率開關(guān)管Q1開通時，直流電源向電感L1充電，電感L1儲能，電感電流基本保持恒定，同時電容C存儲的電壓給負載R提供電壓，假設(shè)電容C的值很大，則輸出電壓Uo可視為恒定值。當功率開關(guān)管Q1關(guān)斷時，電源和電感L1同時給電容C和負載R供電。當電路工作在穩(wěn)態(tài)時，一個開關(guān)周期Ts內(nèi)，電感L1儲存的能量和釋放的能量相等，假如電源電壓為U，開通時間為ton，關(guān)斷時間為toff，由此可得：

由于開關(guān)周期Ts必定大于等于關(guān)斷時間toff，由上式可知輸出電壓Uo大于輸入電壓U，達到升壓目的。

2 后級全橋逆變電路拓撲分析

橋式逆變電路如圖2所示。本文采用雙極性spwm調(diào)制，當開關(guān)管Q3Q2導(dǎo)通、Q1Q4關(guān)斷時，UAB=Udc；當Q3Q2關(guān)斷、Q1Q4導(dǎo)通時，UAB=-Udc；可見UAB在-Udc和Udc兩個值切換。而需要的輸出波形為正弦波，根據(jù)沖量等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，這時需要加入LC濾波器引入慣性環(huán)節(jié)。

式1-2為LC濾波器傳遞函數(shù)，其中d為Q2Q3占空比，Q1Q4與之反相。

在輸出波形的頻率遠小于開關(guān)頻率的情況下，開關(guān)狀態(tài)以遠大于輸出AC交流電的頻率不斷變化，可用開關(guān)狀態(tài)的平均值取代瞬時值。據(jù)此可用UAB平均值代替其瞬時值，見式1-3。

變形可得：

由式1-2*式1-4得：

3 單相儲能變流器的雙閉環(huán)控制策略

本課題對前級Boost電路采用電壓電流雙閉環(huán)控制，對負載電壓和電感電流進行采樣?？刂圃砣鐖D3所示，對負載電壓采樣后，與目標電壓給定值做差后，通過pi控制器調(diào)節(jié)，構(gòu)成電壓外環(huán)。再將電壓環(huán)的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的給定參考值與采樣回來的電壓進行做差，經(jīng)過pi控制器調(diào)節(jié)后，形成調(diào)制波，與載波比較后產(chǎn)生PWM對開關(guān)管Q1的開關(guān)狀態(tài)進行控制，形成前級拓撲的閉環(huán)控制。

圖3 Boost電路電壓電流環(huán)控制

圖4 逆變電路雙閉環(huán)控制策略

圖5 前級Boost電路輸出波形

圖6 后級單相逆變輸出波形

后級單相逆變電路也采用電壓電流雙閉環(huán)控制，電壓給定為一個頻率50Hz的正弦波與采樣回來的負載電壓瞬時值做差后經(jīng)過PI控制器輸出，構(gòu)成電壓瞬時值外環(huán)。將電壓外環(huán)的輸出作為電流環(huán)的給定，做差后經(jīng)PI控制器生成調(diào)制波，進行PWM調(diào)制后產(chǎn)生PWM控制Q1-Q4的開關(guān)狀態(tài)，其中Q2Q3狀態(tài)相同，Q1Q4與Q2Q3狀態(tài)互補。

4 實驗波形結(jié)果

前級boost電路的輸入電壓設(shè)為12v，輸出電壓設(shè)為24v，后級輸入電壓為前級輸出電壓24v，輸出電壓為峰值20v頻率50Hz交流電壓。通過simulink仿真，得到仿真波形如下，圖5為前級Boost電路的輸出電壓，圖6為后級全橋逆變電路輸出電壓波形?？梢钥闯銮凹塀oost電路的輸出電壓穩(wěn)定在24V，且電壓波動較小，后級全橋逆變電路輸出的交流電壓迅速達到穩(wěn)定，且正弦波峰值幅值符合為20v的要求。

本文課題是單相兩級式儲能變流器的研制。通過分析提出兩級式結(jié)構(gòu)，并且確定前后級的拓撲。分析了前級Boost電路原理及后級后級單相全橋逆變電路的數(shù)學(xué)模型，然后確定前后級電路的控制策略為電壓電流雙閉環(huán)控制。最后對系統(tǒng)進行仿真和實驗結(jié)果分析，證實了其可行性。