双向Buck－Boost逆变器的归一化峰值纹波控制

张轶婷，徐万万，王 斌，吕 川

（武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北武汉 430081）

双向Buck－Boost逆变器的归一化峰值纹波控制

张轶婷，徐万万，王 斌，吕 川

（武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北武汉 430081）

研究了一种单级双向Buck－Boost逆变器的工作原理，针对此逆变拓扑，应用了归一化峰值纹波控制方法。对归一化算法进行了分析与说明，将归一化峰值控制方法与传统的电压电流双环控制方法进行对比，并利用PSCAD平台对归一化峰值控制方法进行了仿真实验，实验结果证明该方法能很好地减小输出电压的峰值纹波。

Buck－Boost逆变器；归一化算法；纹波控制；峰值控制

纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰峰值，其大小与开关电源的输入电容和输出电容的容量及品质有关，其产生原因是开关电源的开通与关断动作［1］。每一个开通与关断过程，都会使电能从输入端传送到输出端，从而形成一个充放电过程，造成输出电压波动，波动频率与开通关断频率相同［2］。纹波产生的原因有两种，一种是开关电源自身造成的；另一种是由于外界电磁场的干扰，它以辐射的形式进入开关电源，或者通过电源线被输入到开关电源中［3］。

纹波会在用电器上产生谐波，而谐波会造成较多的危害；例如增加损耗，降低电能转换效率及用电设备的效率与设备利用率；较强的纹波还会产生浪涌电压或电流，导致用电器烧毁［4］。

文中介绍了一种单级双向Buck－Boost逆变器［5］，它由两个Buck－Boost电路在输入端并联输出端串联构成［6］，通过分析其工作原理和控制策略，针对其负载变化时电压峰值纹波较大的问题进行了研究。文本引入了基于纹波峰值控制的归一化控制算法［7］，通过加入电感电流和输出电压的权重因子，实现了V2C控制、V2控制和峰值电流的统一控制方法，此方法对负载突变具有快速的响应速度，有良好的抗干扰性能。并通过PSCAD平台对控制方法进行了仿真，实验结果表明，与传统电压电流双环控制相比，归一化峰值控制的算法能有效消除输出电压的峰值纹波。

1 Buck－Boost原理及其常规控制

本文采用的拓扑结构是在基本Buck－Boost电路的基础上进行改进，由两组双向Buck－Boost变换器组合而成，分别给每组变换器输出幅值相同、相位相差180°具有直流偏置量的正弦电压，最后叠加相减输出于正弦交流电压。双向Buck－Boost逆变器电路输出公式如下［8］：

由输出公式可以看出，通过改变开关管的占空比，可以实现升压和降压逆变。电路由两组完全相同的DC／DC变换器输入并联、输出串联组成。分别给每组变换器输出幅值相同、相位相差180°具有直流偏置量的正弦电压，最后叠加相减输出于正弦交流电压。完整的电路拓扑如图1所示。

以单组Buck－Boost直流斩波器为例介绍其工作原理。逆变器电路工作状态（1）时，开关VT1导通，VT2断开，电流方向为正，电流经VT1流动；逆变器电路工作状态（2）开关VT1断开，VT2导通，电流方向为正，电流经VD2续流；逆变器电路工作状态（3）开关VT1断开，VT2导通，电流方向为负，电流经VT2流动；逆变器电路工作状态（4）开关VT1导通，VT2断开，电流方向为负，电流经VD1续流。

图1 双向Buck－Boost逆变器

根据电感电流连续状态下的信号模型，电感电压开关周期平均值和电容电流开关周期平均值表达式如下

式中：d1为VT1的占空比，d′1＝1－d1为VT2的占空比；vL1、vIN、v01分别为电感电压、输入电压和输出电压；iC1、iL1、i01分别为电容电流、电感电流和输出电流。通过占空比变化可以达到对电感电流开关周期平均值的控制（图2）。

图2 四个开关管的控制脉冲时间序列图

电压电流双环控制是Buck－Boost变换器的传统控制方法之一［9］。这种控制方法基于电压控制，加入电感电流或者开关电流作为反馈检测信号，从而形成一个双闭环反馈控制系统，如图3所示。在输入电压变化时，电压电流双环控制方法能大大提高变换器的响应速度，但是仍然存在负载变化时的线性调整率差等问题［10］。

图3 电压电流双环控制电路图

2 归一化峰值纹波控制算法与仿真模型建立

针对传统电压电流双环控制中存在的负载变化时线性调整率问题，考虑采用峰值控制算法来改进。

图4为归一化纹波峰值控制Buck－Boost变换器的控制波形。其中m1为内环检测电压纹波的上升沿斜率，m2为内环检测电压纹波的下降沿斜率，dn－1、dn分别是第n－1周期与第n周期开关管VT1的导通占空比，Ts是开关周期，IL为稳态时电感电流的平均值，VO为稳态时输出电压的平均值，vD为输入侧直流电压，vc是纹波峰值控制信号。

图4 归一化纹波峰值控制Buck－Boost变换器的控制波形

图4中给出了相邻两个开关周期的波形，在每个开关周期开始时，时钟信号使开关管控制电压vp为低电平，开关管关断，电感电流初始值开始线性减小，相应地内环检测电压也由初始值开始线性减小。当内环检测电压减小到控制电压Vc时，使开关管控制电压vp为高电平，开关管导通，电感电流线性增大，相应地内环检测电压也线性增大，直到下一个时钟脉冲信号到来，开始一个新的开关周期。下式为第n周期的占空比算式：

为验证理论分析的正确性，分别对归一化纹波峰值控制和电压电流双环控制进行了仿真实验和实验验证。归一化纹波峰值控制Buck－Boost变换器的电路如图5，方框内为控制部分电路。Kc为检测电感电流的比例系数，Kv为检测输出电压的比例系数，ωc为电感电流权重因子，ωv为输出电压权重因子，且ωc＋ωv＝1。其中检测电感电流的比例系数Kc与检测输出电压的比例系数Kv均取为1。在每个开关周期开始时，时钟信号使锁存器输出信号VD1为低电平，开关管VT1关断，IL1由初始值开始线性减小，同时，内环检测电压E1也由初始值开始线性减小。当E1减小到与控制电压Vc一样，此时比较器的输出值变换，使锁存器输出一个高电平信号VD1，从而使开关管VT1导通，IL1开始线性增大，同样的，内环检测电压E1也线性增大。等下一个时钟信号脉冲到来时，再开始一个新的开关周期。

图5 归一化纹波峰值控制Buck－Boost变换器的电路图

电压电流双环控制仿真模型见图6。是由电压基准和输出电压经过PI调节器后，与负载电流一起作为电流基准，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比较，得到正弦脉宽调制信号（SPWM），使得Buck－Boost变换器的占空比发生变化，达到调节输出电压的目的。归一化纹波峰值控制的单组控制电路仿真模型见图7。

图6 电压电流双环控制仿真模型

图7 归一化纹波峰值控制的单组控制电路仿真模型

要实现的功能是48V直流电压经过所设计的逆变器转换成220V、50Hz的交流正弦波。在对该逆变器系统各个元件和功能分析后，设置主电路及其控制回路参数如下，直流输入电压vD＝48V；开关频率fs＝10kHz，电感L＝200uH，电容C＝ 80uF，PI调节器参数为0.56和2.32×10－3。通过仿真实验反复测试，为了得到较好的控制结果，其中电压E1权重值取0.25，电感电流IL1权重值取0.75。

3 仿真结果分析

通过仿真发现，电压电流双环控制模式在负载为20～1 000Ω时，有较好的输出特性，中等负载时输出波形最好。当逆变电路内阻小于负载等效阻值的5%时对负载影响较小，可以忽略，由此推算本装置内阻约为1Ω。

负载等效阻值为20Ω时，Po＝1.2PN，当负载阻值为24Ω时为额定负载，此时Po＝PN，设定负载等效阻值为50Ω时，Po＝0.5PN，当负载阻值为240Ω时，Po＝0.1PN。

以负载为50Ω时为例，电压电流双环控制波形与归一化峰值纹波控制输出电压波形见图8。

图8 电压电流双环控制波形与归一化峰值纹波控制输出电压波形

在负载阻值分别为20Ω、50Ω、240Ω的情况下输出电压仿真波形见图9。

图9 三种负载情况下的输出电压仿真波形波峰放大图

从仿真波形可知，在三种负载情况下输出电压都有明显的齿状纹波，其中，重载时锯齿状纹波最为明显，而在轻载时，波峰有轻微畸变。而归一化峰值控制在三种负载情况下输出电压波峰都比较平滑，没有明显的齿状纹波。

在三种负载情况下，分别计算了电压电流双环控制与归一化峰值控制输出电压的谐波失真率（表1），可以看到归一化峰值控制下输出电压UO的谐波失真率远低于电压电流双环控制，在负载波动范围为20～240Ω时，THD始终维持在5%以内，其中，在负载为50Ω时THD最低，即逆变器在带线性负载时，负载在额定值附近时输出电压THD较低。

表1 电压电流双环控制与归一化峰值控制UO的谐波失真率（THD）

4 结语

本文研究了一种从基本的Buck－Boost电路引申出的双向的Buck－Boost电路输入并联、输出串联的逆变器拓扑结构，分析其工作原理，针对此拓扑，研究了归一化峰值纹波控制方法，对归一化算法进行了分析与说明，将归一化峰值控制方法与传统的电压电流双环控制方法进行对比，并利用PSCAD平台对归一化峰值控制方法进行了仿真实验，实验结果证明了该方法能很好地减小输出电压的峰值纹波。在PSCAD环境中搭建主电路和控制回路，对比了在负载变化的情况下，归一化峰值控制方法与传统的电压电流双环控制方法的输出特性，从仿真上证明了该控制方法的正确性与可行性。

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［10］陈 坚.电力电子学— 电力电子变换和控制技术［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［责任编校：张岩芳］

Normalized Peak Ripple Control of Bidirectional Buck－Boost Inverter

ZHANG Yi－ting，XU Wan－wan，WANG Bin，LV Chuan
（Dep.of Information Sci.and Engin.，Wuhan Univ.of Sci.and Tech.，Wuhan，430081，China）

Working principles of a single－stage bidirectional Buck－Boost inverter was studied in this paper.The normalized peak ripple control methods was applied for this inverter topology.The normalization algorithm was also analyzed and illustrated in details.And the normalized peak voltage control method was compared with the traditional method of the current loop control.The simulation experiment was conducted by using PSCAD platform.The results of normalized peak method for controlling shows that this method can reduce the peak output voltage ripple.

buck－boost inverter；normalization algorithm；ripple control；peak control

TM464

A

1003－4684（2014）01－0020－05

2013－11－28

张轶婷（1988－），女，湖北天门人，武汉科技大学硕士研究生，研究方向为控制理论与工程