AC/AC变换器在不同控制策略下的仿真研究

管添益，张智禄，黄 鹏，周 园

（中国船舶集团有限公司第七〇三研究所无锡分部，江苏 无锡 214000）

0 引 言

AC/AC变换是电能变换的一种，通过调节输入电压，可以实现交流量幅值和相位的改变。实现AC/AC电能直接变换的方法通常有两种：旋转变流机和静止变流器。前者是通过各类型电机组接连实现；后者是通过半导体功率器件来实现[1，2]。随着社会发展，电气设备越来越倾向于功率密度大、体积小、质量轻等特点，静止变流器的优势则更加明显。目前，基于静止变流器的AC/AC变换器拥有广泛的应用领域，如交流稳压场合、交流调压场合。

1 控制策略介绍

1.1 正弦脉宽脉位调制

正弦脉宽脉位调制方法在单相逆变器中拥有着出色的表现。在AC/AC变换器领域中，陈道炼教授进行了深入地研究，并提出了相关的理论与实践操作方法。进行仿真时，其主电路如图1所示。

图1 AC/AC变换器拓扑结构

在该拓扑中，对开关管的触发控制采用单极性移相控制的方法。其反馈控制采用电压单环瞬时值比较的方法，过程在于将输出电压的瞬时值作为反馈量，与标准正弦波的瞬时值做比较，其差值通过PI控制器得到偏差量，该偏差量与其反相量与三角波进行比较获得正弦脉宽脉位调制（Sinusoidal Pulse Width Position Modulation，SPWPM）波，由此来获得主电路中每一个开关管的触发信号[3]。在主电路输入有谐波的情况下，一个开关周期内，通过改变开关管的触发信号可改变超前臂与滞后臂之间的移相角，从而就能改变电路的占空比，达到控制占空比来降低输出电压谐波含量的要求。

1.2 正弦波绝对值调制

第二种控制策略是在第一种反馈控制策略的基础上加以改进的，仍旧采用瞬时PI控制的方法，但与前一种控制策略的不同之处在于其对反馈量取绝对值[4，5]。

进行仿真时，该反馈控制策略主电路与图1一致，并且在对开关管的触发控制上仍采用单极性移相控制的方法。其反馈控制采用电压单环瞬时值和绝对值比较的方法，过程在于将输出电压的瞬时值作为反馈量，与标准正弦波的瞬时值做比较，输出电压的反馈量与标准正弦波都需要取绝对值，通过PI控制器后的偏差量也取绝对值[5]。该偏差量的绝对值与三角波进行比较获得SPWM波，由此获得主电路中每一个开关管的触发信号。当输入有谐波时，通过输出与标准正弦波比较，其误差值最终可调节占空比的大小，即可进行电压补偿。

1.3 基于d-q变换的双闭环控制

第三种控制策略则采用了一种构造补偿函数的方法来消除谐波。假设网侧的输入电压为基波与高次谐波的表达式，将其进行傅里叶分解，如下式所示：

开关函数f(t)的傅里叶级数表达式可由下式表示：

利用开关函数和输入电压表达式，根据输入输出关系，可以得到输入带有谐波分量时的输出电压表达式。又已知在稳态的时候开关函数即为恒定的占空比，但由于有谐波的存在，需对占空比进行补偿［7］。设置开关函数的补偿函数，要求输出时无谐波，则可以得到补偿函数的表达式。通过构造补偿函数则可以消除电路中使输出发生畸变的谐波［7］。

2 仿真结果及分析

根据拓扑结构，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，为测试其谐波抑制的能力，向输入电压注入低次谐波（高次谐波可由无源器件滤除），输入电压谐波含量统一为23.19%，其输入、输出波形分别如图2、图3、图4所示。

图2 采用正弦脉宽脉位调制策略

图3 采用正弦波的绝对值作为调制波的调制策略

图4 基于d-q变换进行的双闭环控制策略

现将3种反馈控制策略的各项性能列表比较如下。表中列出了输入输出谐波含量、输入输出电压幅值以及基准值各项内容，如表1所示

表1 3种不同反馈控制策略性能比较

3 结 论

由此可见，文中的3种控制策略各有优缺点。正弦脉宽脉位调制方式简单，但去除谐波，效果略差。采用正弦波的绝对值作为调制波的调制策略，去除谐波时效果较好，但输出电压的幅值不能完全跟随给定，有稳态静差。而基于d-q变换的双闭环反馈控制的控制结构比较复杂。但是由于采用的PI控制器对直流跟随性能最好，所以双闭环控制的PI参数较好设置，同时可以实现无静差控制。