交流电源控制电路设计

2019-03-18周健何陶然

数码设计 2019年1期

周健，何陶然

（中国人民解放军空军预警学院，贵州黔南，550600）

引言

目前，随着石油、煤和天然气等主要能源的日益紧张及面临的严峻的环境问题，新能源的开发和利用越来越得到重视。为了社会的持续发展和可再生能源的利用，利用风能、太阳能等新能源的微电网中的关键技术-逆变技术，能将这些新能源转化而来的直流电能变换成交流电能供给负载使用或与电网并网发电。因此，逆变技术在新能源开发和利用领域有着至关重要的地位，对逆变器控制电路的改善意义可见一斑。

1 逆变器电流控制方式

首先考虑逆变器控制电路的选择问题，通常说来有逆变器电流滞环控制以及逆变器单极性电流SPWM控制两种控制方式，下面将通过分析比较两种方式的工作原理，比较两种方式孰优孰劣。

1.1 电流滞环控制

图1为逆变器电流滞环控制三态滞环比较器的工作原理。图1中，δ为滞环宽度。当iLf＜irefδ时，VS1、VS2导通，iLf上升，UAB＝Uin；当iLf＞iref+δ时，VS3、VS4导通，iLf下降，UAB＝-Uin；当iref-δ＜iLf＜iref+δ时，VS2、VS4导通，iLf通过VS2、VS4续流，UAB＝0。

图1 电流滞环控制电路及三态滞环比较器原理

电流滞环控制逆变器具有很好的稳定性，其电流内环高度稳定，但控制系统中含有滞后环节，所以动态性能相对较差，动态响应速度较慢；电流滞环控制逆变器开关频率不固定，逆变器输出电压中谐波分布广，滤波器设计不易，多依赖于工程经验与仿真。当电流滞环控制逆变器平均开关频率与电流SPWM控制逆变器开关频率相等时，要获得滤波后相同质量的输出波形，前者的滤波器要比后者大得多。

1.2 单极性电流SPWM控制

图2为电流SPWM控制电路波形。uc分别与ie、-ie交截产生四个开关管控制信号。当ie＞uc时，VS1导通、VS4截止，UAO＝Uin／2；当ie＜uc时，VS1截止、VS4导通，UAO＝-Uin／2；当-ie＞uc时，VS3导通、VS2截止，UBO＝Uin／2；当-ie＜uc时，VS3截止、VS2导通，UBO＝-Uin／2；UAB＝UAO-UBO。

图2 电流SPWM控制电路及波形

单极性电流SPWM控制系统中不存在滞后环节，故动态性能良好，动态响应速度较快；单极性电流SPWM控制逆变器的开关频率固定，输出电压只含有偶数倍载波频率处的奇数倍旁带谐波，最低次谐波集中在2倍载波频率附近，滤波器易于设计。

因此，从提高系统的动态性能，降低输出电压的THD，减小滤波器，改善输出电压波形质量的角度考虑，电流SPWM控制逆变器性能更优越。

2 控制电路设计

2.1 基准正弦波电路

单相基准正弦波电路由振荡分频、阶梯波合成和有源滤波电路组成，如图3所示。振荡分频电路由晶振和4060组成，用来产生频率稳定的时钟信号；阶梯波合成电路将时钟信号，经循环移位和权电阻合成后输出2N块阶梯波；阶梯波经有源滤波电路后，输出高质量的基准正弦电压。

图3 单相基准正弦波产生电路

2.2 电压电流双闭环控制电路

图4 为电压电流双闭环控制电路。图4（a）为电压外环控制电路，图4（b）为电流内环控制电路。图4（a）中，Vout为输出电压，经差动放大器检测后与电压基准正弦波信号VASIN进行相减后的差值经PI调节后输出电流内环的参考信号Iref。图4（b）中，If为检测的滤波电感电流信号，电流参考Iref与电流反馈If的差值经P调节器后一路送比较器，另一路反相后送比较器，与三角波相比较输出两路SPWM信号V1、V2。