逆变电源的消谐控制技术

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1、引言　　逆变器是电力电子装置中的重要组成部分，是不间断电源、交流电气传动、中频电源等许多设备的核心，因而其研究工作倍受人们的关注，研究的焦点是如何方便地调节逆变电源的输出电压和频率，并降低谐波含量，改善输出波形。迄今为止，降低谐波含量和调节输出电压（大小或频率）的常用措施有：　　（1）对逆变电源的开关管进行高频PWM调制，使逆变器输出为高频等幅的PWM波；　　（2）通过改变逆变电源主电路拓扑结构，在主电路上进行波形重构以实现阶梯波形输出，减小低阶高次谐波含量。　　对于高频PWM调制来说，开关频率越高，谐波含量越小，但开关损耗也越大，故不宜用在大功率逆变电源中。而波形重构方

2、式往往需要多个逆变器来实现电压的叠加。波形重构的级数越多，出现的最低谐波次数越高，但主电路和控制电路也越复杂，相应地控制难度也越大，输出电压的调节也不甚方便，因此这种方式通常只在大功率逆变电源中采用。理论分析表明，早在1973年提出的消谐控制策略[1][2]能有效地克服上述问题，它只需要较少的开关脉冲数即可完全消除容量较大的低阶高次谐波，取得很好的滤波效果，具有开关频率低、开关损耗小、电压利用率高、滤波容量小等许多优点，是实现逆变电源PWM控制的理想方法。然而该方法经过近二十年的研究至今仍未实际应用，其主要原因是消谐模型的求解复杂，难以获得实时控制效果[3－7]。随着科学

3、技术的不断进步，这一问题终究会得到解决，从而使消谐方法走向实用。2消谐PWM模型的分析　　利用PWM调制来调节输出电压和降低谐波含量是目前最为普及的技术，在中小功率逆变电源中应用非常广泛，PWM的生成方法也很多。消谐PWM控制就是一种经过计算的PWM控制策略，其基本方法是：通过PWM控制的傅里叶级数分析，得出傅里叶级数展开式，以脉冲相位角为未知数，令某些特定的谐波为零，便得到一个非线性方程组，该方程组即为消谐PWM模型，按模型求解的结果进行控制，则输出不含这些特定的低次谐波。消谐模型的建立是与PWM控制方式相关的，以电压型逆变器为例，根据不同的PWM特点，建立的模型可归纳

4、为两种：即单极性脉冲控制模型和双极性脉冲控制模型。　　图1所示的逆变器，若在正半周内使开关器件S1、S4处于通断变换状态时，而S2、S3一直关断，则输出为单极性正脉冲，而在负半周对开关器件S2、S3通断控制，而S1、S4一直关断，则输出为单极性负脉冲，因此脉冲波形可用图2（a）表示。在这种控制方式下，为了降低开关损耗，可使同一桥臂中的一个开关管（如S2或S4）在半个周期内一直处于导通状态。PWM波形的获得靠桥臂的另一个开关管的通断来实现。图2（a）波形的傅里叶级数表达式为：　　若每个桥臂上的两个开关器件是互补通断的，则输出PWM波形为双极性的，如图2（b）所示，此时的傅里

5、叶级数展开式为：　　在上述两个模型中，若在1/4周期内有N个脉冲，则可用来消除N－1个特定的谐波。3消谐模型的求解算法　　消谐模型以往都是采用牛顿迭代法来求解，其初值的选取与迭代过程所需的时间及收敛性质密切相关，若初值选得不好，离真实解距离太远，将导致迭代运算时间很长甚至不收敛，而在求解前要获得离真实解不远的初值并非一件容易的事，若要设想在实时调节过程中进行求解运算，则迭代初值的获取更为困难。当然文献虽然总结了一套选取初值的办法，但仍不是最有效的方法。为了改善收敛特性，也可在牛顿迭代算法中采用超松弛因子，但是这种方法将使收敛速度变慢，不利于快速求解。1999年后，研究者提

6、出了运用同伦方法求解消谐模型的新算法。　　利用同伦算法求解消谐模型，可以有效地避免牛顿迭代方法对迭代初值敏感的缺点，并且具有收敛速度快、收敛范围广、计算容易等特点，是实现消谐模型求解的理想算法。4消谐控制方法的应用现状　　消谐控制的优势已为人们认识，并开展了不少的研究工作，希望该方法得到实际应用。遗憾的是，迄今为止消谐方法还没有真正进入实际应用。按照消谐控制的思想，PWM波的相位是通过模型的求解获得的，而消谐模型是一个正弦函数的多元非线性方程组，其数值求解的过程极其复杂并且难以保证收敛，因此这种求解计算要在现有的微处理器（MCU）系统中快速实时地完成是相当困难的，这在相当

7、程度上制约了消谐方法的实际应用。目前该方法的应用主要以离线控制方式实现，将其应用于无需调节电压大小的恒频恒压电源的控制是可行的；或事先计算某些特定电压的有关控制参数存入存储器中，根据实际需要分级调节输出电压，这种方式往往需要很大的存储空间，而且随着电压调节的分辨率增高，其存储空间随之增大。而文献提出的所谓实时求解，实际上也是通过计算先获得不同电压时的解曲线，在控制过程中进行按输出电压指令实时调整输出PWM波形，而且为获得实时效果，脉冲的个数也不能太多，文中仅用了5个脉冲。由此可见，要使消谐方法获得广泛应用，必须解决消谐模型的实