一种基于瞬时值反馈控制的车载逆变电源仿真研究

摘 要：电压单环控制的单相逆变电源抗干扰能力较差，而且对非线性负载的响应较慢。针对高速动车组车厢内旅客用电设备种类多、非线性、负载容量不固定的特点，本文采用基于瞬时值反馈的双闭环控制策略，通过电流内环控制瞬时值，外环控制电压有效值。同时，考虑直流电压波动，在内环引入直流电压波动量，提高了不同输入直流电压下的可靠性。当负载变化或输入直流电压波动时，该控制策略能够实现输出电压幅值和波形的稳定。通过仿真，验证了该控制策略的有效性。

关键词：逆变电源;双闭环控制;直流电压反馈;抗干扰

近年来，我国高速铁路飞速发展，使人们的出行变的极为便利。高铁列车作为铁路运输的重要装备，结合了当代多种先进科技，得到了广大旅客的青睐。车载单相逆变电源不仅能够给手机、便携式电脑充电，还能够给车上一些低功率设备使用，其输出电能质量至关重要[2]。本文针对单相车载逆变电源直流电压波动问题，考虑直流电压波动，在双闭环控制系统中引入直流电压误差，该策略能够消除由输入直流电压带来的扰动，保正单相车载逆变电源输出的电能质量。

一、主电路结构

图1为单相车载逆变电源的主电路结构，主要由单相全桥逆变器和电感、电容组成的LC滤波电路构成。

图1中，全桥逆变器由4个全控型功率开关管组成，每个开关管反并联续流二极管。滤波电路由电感Lf和电容Cf构成[2，3]。建立数学模型时，以电容端电压uo和电感电流iL作为状态变量，忽略线路阻抗，可将其状态方程描述为：

把功率开关当作理想元件处理，当其开关频率远高于输出电压的基波频率和滤波电路的截止频率时，该逆变电路可以等效成一个比例放大器。

二、控制策略设计

通过实時采集的电感电流iL和电容电压uo，电流内环控制电压瞬时值，电压外环实现对电压有效值的定值控制。外环调节器根据负载变化实时地调整，将测得的输出电压有效值与给定值形成偏差，经过电压控制器调节后与标准正弦波相乘作为电流内环的给定。内环中，考虑输入直流电压波动，将输入直流电压给定和实际值的差值作为直流电压波动量引入内环控制，对输出电压进行补偿，能够消除直流电压波动造成的误差，提高闭环控制系统性能。该控制可以实现输出电压有效值对标准正弦波型的跟踪，在负载变化或输入直流电压波动时，保证电压幅值稳定和波形的正弦性[4]。控制框图如图3所示。

电压外环形成的电压瞬时值与内环实际输出的瞬时值比较，计算得到的误差经过比例微分控制器生成参考波与三角波进行比较，进而产生触发信号来控制开关管的通断。

三、仿真分析

为了验证本文提出的控制策略的正确性，利用Simulnk仿真工具搭建仿真模型，以220V/50Hz交流负载为应用基础，针对不同负载和直流电压出现波动工况进行仿真实验[5]。仿真参数如表1所示。

图3～图5为不同负载和直流电压工况下的仿真结果。从图3中可以看出，在空载和满载时输出电压波形都具有良好的正弦性且电压幅值较稳定。当负载从空载到满载切换时，输出电压未出现明显畸变。图4和图5分别为输入直流电压值跌落为额定值90%和突变至额定值110%时的仿真结果。从结果中可以看出，引入直流电压误差控制后，通过内环调节有效消除了由直流电压波动引起的输出电压的幅值误差。对输出电压进行FFT分析，电压幅值为312.4V，总谐波畸变率最大值为0.93%，电压总谐波畸变率较低，波形具有较高的正弦度。

本文针对高速铁路动车组单相车载逆变电源提出了一种基于瞬时值反馈的双闭环控制策略。考虑输入直流电压波动，将输入直流电压给定和实际值的差值作为直流电压波动量引入内环控制，对输出电压进行补偿，消除了直流电压波动引起的输出交流电压造成的误差，提高了控制系统的性能。具有良好的稳态特性和动态特性。

参考文献：

[1]康猛，单相双级型隔离逆变电源研究[D].北京交通大学，2018.

[2]王志伟，一种基于内环电感电流反馈的车载逆变电源控制策略研究[J].铁道车辆，2017.

[3]廖云涛，高速列车单相隔离逆变电源的研究与设计[D].北京交通大学，2016.

[4]魏宏斌，基于混合储能的配电系统电子电力变压器研究[D].兰州交通大学，2018.

[5]朱承邦，李乐，王晓鹏， 基于SPWM控制的电压、电流双环逆变器建模及其仿真[J].中国舰船研究，2009（05）.