李海林1 王燕京2 侯振义1

　　(1.空军工程大学电讯工程学院 西安 710077)

　　(2.北京建筑工程学院 北京 100044)

　　摘 要:单周控制是一种新型的大信号、非线性控制策略,具有控制器结构简单、控制精度高、抗干扰能力强且动态响应快等优点。文中对单周控制原理进行了详细介绍,阐述了单周控制方法在DC/DC变换器、功率因数校正、有源电力滤波器、逆变器、开关功率放大器、不间断电源、静止无功发生器、交流稳压电源、功率放大以及光伏电源最大功率点跟踪控制等研究现状及应用,并对这一控制方法的优缺点进行了总结和展望。

　　上世纪90年代初,单周控制理论(One-CycleControl)是由美国加州理工学院的K.M.Smedley博士提出的一种大信号非线性控制理论方法,它是在开关放大器PWM控制基础上发展起来的。其突出优点是无论稳态还是暂态,都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于控制参考信号,即能在一个周期内有效地抵制电源侧的扰动,既没有静态误差也没有动态误差,动态响应快速,对输入扰动抑制能力强。开关变换器是脉冲式的非线性动态系统,大多数控制方案是首先通过线性化控制方程逼近这个非线性动态系统,然后再采用一个线性反馈技术来实现。这种方法限制了非线性开关电源系统的功能。而单周控制没有这种限制,因而得到了学术界的广泛认可,也成为了学者们研究的热点。

　　单周控制与其他现有PWM控制法相比,具有结构简单、响应速度快、稳定性好的优点,可适应高精度、高速度和高抗干扰的控制要求。单周控制已在DC/DC变换器、功率因数校正、有源电力滤波器、逆变器、开关功率放大器、不间断电源、交流稳压电源、静止无功发生器以及功率放大和光伏电源最大功率点跟踪控制等方面得到大量应用。国外已有公司开始致力于将单周控制模块化并投入到商业运营。

　　1 单周控制原理

　　将单周控制的基本原理应用于各种电流控制上,就可以得到电荷控制、准电荷控制、非线性载波控制和输入电流整形技术等新型控制技术。从形式上看电荷控制是电流型的单周期控制,其控制思想是控制开关的电流量,使之在一个周期内达到期望值。准电荷控制也是一种电流型的单周控制,是在电荷控制的基础上,用RC 网络代替电荷控制电路中的C网络。非线性载波控制的控制电流可为开关电流、二极管电流或电感电流。从电路的拓扑结构上讲,非线性载波控制技术是在电荷控制的基础上增加了一个非线性补偿,提高了系统的稳定性。在非线性载波控制中当电路工作在电流连续状下,系统就是稳定的,而电路工作在断续状态下,系统是小信号稳定的。另外,非线性载波控制工作在断续条件下会产生输入电流的畸变。输入电流整形技术检测二极管上的电流,从形式上说是一种类似于非线性载波控制的方案,从控制的实质上讲它是平均电流控制的一种相反应用。

　　单周控制技术通过控制开关的占空比,使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或正比于控制参考量。控制器主要包括积分器、复位开关S2、比较器和RS触发器。当时钟脉冲到来时,RS触发器置位Q端为1,Q −为0,控制主开关S1导通,复位开关S2关断。积分器积分,直到积分输出U int等于控制参考U ref,比较器输出复位RS触发器Q端为0,Q −为1,控制主开关S1关断,复位开关S2导通。直到一个时钟脉冲到来,输出电压U o总是跟随U i,如图1所示。

　　由图可知:

　　2 单周控制在电力电子领域中的应用

　　2.1 单周控制在DC/DC变换器中的应用DC/DC变换器将输入直流电压经高频斩波或高频逆变后,再经整流和滤波环节,转换成所需幅值的直流电压。因DC/DC变换器非线性强,建立模型相当困难,故采用经典控制法——电压型控制技术和电流型控制技术难以达到控制要求。电压型控制技术当输入电源电压、负载、功率电路元器件参数变化时,只有等到输出电压变化后,反馈环路才能起到调节输出电压的作用,动态响应速度慢;为了降低系统的静态误差和功率电路的大时间常数、控制信号的传递延迟对系统动态响应速度的影响,必须采用高增益、宽频带的运算放大器,从而导致系统的稳定性变差,即系统的静态性能、快速性与稳定性之间存在矛盾。而电流型控制技术不能承受持续的短路,由于在短路输出时,误差放大器已失去了作用,使电路工作于最大占空比,增大了输入功率;同时变换器的电路损耗骤增,这是因为功率开关管的关断仅受流过开关管上的峰值电流脉冲控制。

　　单周控制技术应用于DC/DC变换器,具有很强的抗输入电压干扰能力,对短路有保护功能,可以承受持续的短路;并且很好地解决了系统的静态性能、快速性与稳定性之间的矛盾。其不足之处主要在于对开关误差的校正能力有限,系统存在一定的稳态误差,系统的负载动态响应速度较慢,过冲严重。通过一定的策略可对输入电压和负载电流扰动进行抑制,但不能实现变换器的最优动态响应。目前只能对单周期控制的半桥式DC/DC变换器进行理论分析和系统仿真。

　　2.2 单周控制在功率因数校正中的应用

　　功率因数校正(PFC)技术是抑制AC输入电流发生波形畸变的主要方法,其使整流二极管的导通角趋于180°,产生与AC电压同相位的AC输入正弦波电流,致使系统功率因数十分接近于1。PFC的控制策略按照输入电感电流是否连续,把PFC分为不连续导通模式(DCM)和连续导通模式(CCM)。DCM控制又称电压跟踪方法,它是PFC中简单而实用的一种控制方式,应用较为广泛。DCM控制尽管简单,但由于器件承受较大的开关应力,使其只能应用在小功率范围。CCM模式下有直接电流控制和间接电流控制两种方式。直接电流控制的优点是电流瞬态特性好,自身具有过流保护能力,但需要检测瞬态电流,控制电路复杂;间接电流控制的优点是结构简单、无需电流传感。缺点是稳态性能很差,动态响应慢,动态过程中存在直流电流偏移和很大的电流过冲。

　　单周控制PFC相当于开关变量为输入电流,控制参考量为输入电压,使输入电流在单个周期内跟随输入电压变化,采样电流也随电压信号变化。从而实现功率校正目的,功率因数非常接近于1。采用单周控制可以简化控制电路的设计,不需要使用乘法器,不用检测输入电压,使系统更易实现,并且降低了设备的经济成本。PFC是单周控制应用较成熟的领域之一,在单相和三相功率电路中都得到成功的应用,并取得很好的效果。功率已做到了500W,频率最大已做到100kHz。

　　2.3 单周控制在有源电力滤波器中的应用

　　有源电力滤波器( Active Power Filter,AFP)作为一种用于动态抑制谐波和补偿无功功率的新型电力电子装置,可对大小和频率都在变化的谐波分量和无功功率进行补偿。其补偿性主要取决于对畸变电流的实时准确检测和逆变器输出电流的控制策略。单周控制有源滤波器(UCI-APF)是谐

　　波补偿的新方向,与常用的APF相比,UCI-APF控制方法具有简便、采样通道少、电路成本低、检测量少、控制器结构简单以及鲁棒性强等优点,可调节功率因数接近1,故在中小功率场合有推广价值。经典的UCI-APF对电路参数的依赖性非常大,当控制电路积分参数出现偏差或浮动时,主电路上的进线电流将引入直流分量,这严重阻碍其推广应用。

　　单周控制有源滤波器的控制目标是消除谐波并调节功率因数接近1,因此当有源滤波器有效工作时,网侧电流波形跟踪电压波形,整个系统能够等效为线性负载(等效阻抗为R e),即:U s=R eis

　　由以上分析可见,控制方程可由单周控制的方式实现,但要求积分速度非常精确。单周控制是一种非线性的占空比调制方式,其目的是在一个开关周期内使开关变量的平均值与参考值相等。在UCI-APF中,此开关变量为U m,参考信号为U m-R sis。相应的电路结构如图2所示。

　　单周控制有源滤波器也有缺点,以峰值电流检测和比较的方法产生占空比信号,采用一个比较器,在整个正弦波周期内都是开关导通期间电流上升,开关关断期间电流下降,所以存在电流纹波。由于电流的峰值和输入电压波形一致,纹波的存在将使平均电流低于标准正弦波,从而产生电流直流分量。人们也想了很多改进的单周控制方法抑制直流分量,比如单极调制技术等。

　　AFP是单周控制应用较成熟的领域之一,目前分为单周控制单相和三相AFP,由于不需要检测负载电流,不需要计算负载电流的谐波和无功分量,不需要乘法器和电压传感器,从而简化了APF的工作原理和结构,因此控制结构更加简单,可靠性更高,鲁棒性更好。

　　2.4 单周控制在逆变器中的应用

　　单周控制技术应用于电压型逆变电路中,给负载提供所需要的交流电压源。根据单周控制原理,用两个积分器交互工作解决了积分器的复位问题;再用增加直流偏移量解决实际电路中遇到的电压测量问题。对于逆变电路而言,提高直流电压利用率可以提高逆变器的输出能力,减少逆变器开关的动作次数,就能减少开关损耗。采用双积分器单周控制的电压型逆变电源,其逆变电路硬件结构简单,输出电压幅值和频率可调,具有快速的动态响应。实验证明单周控制技术是一种较理想的变频器控制技术。该技术直流电压利用率高,提高了系统的效率;开关器件工作在设定频率下,降低了谐波损耗,节约了能源;有较强的抗电源扰动能力,使得输出电压不受直流电压波动的影响;系统的响应快;系统硬件电路结构简单,易于实现,可广泛用于各类逆变电源,如车载、船载电源等。但目前单周控制应用于逆变器还不成熟,只是对双管正激式直流变换器型高频环节DC/AC逆变器、正反激组合式双向功率流高频环节DC/AC逆变器进行仿真,研制了一台电压型逆变电源样机,电压幅值范围可以是0～232V,频率范围是0～100Hz,输出波形质量高,THD均在0.8%以下,最小达到了0.256%。

　　2.5 单周控制在开关功率放大器中的应用

　　开关功率放大器( S w i t c h i n g P o w e rAmplifier)具有效率高、体积小的特点,同时随着功率器件水平和电力电子技术的不断发展,保真度也得到很大改善,因此在各个领域的应用和研究发展迅速。

　　开关功率放大器的控制方式是影响其性能的关键因素之一。单周控制是一种大信号非线性PWM调制方案,克服了开关变换器的非线性特性,对大信号放大时畸变较小;单周控制动态响应快,系统带宽仅取决于输出低通滤波器,从而容易确定音频带宽;单周控制可同时处理信号和功率,可自动抑制电源纹波,故不需要高精度直流电源。事实上,经过整流的不可控电源加上一个小电容就可用作开关音频功率放大的直流电源,从而进一步降低了功率损耗、装置的复杂性、大小及成本。实际工作中,单周控制开关变换器的复位脉冲不可能

　　理想,会使输出端产生直流偏置。分析表明,直流偏置的大小与复位脉冲的宽度成正比变化。针对单周控制的开关功率放大输出直流偏置问题,提出了一种在比较器的同相输入端引入补偿电压的解决方案,并给出了补偿电压的具体计算公式。补偿前、后开关放大器仿真和实验研究的结果表明,补偿后的单周控制开关功率放大器性能优良,有效地解决了补偿前的输出直流偏置问题。

　　单周控制的开关功率放大器虽然具有很多优点,但由于其推出的时间还不长,还存在许多需要解决的问题。单周控制的开关功率放大器目前还没有实现大功率的应用;同时,输出端存在的直流偏置问题需要很好的研究和解决。目前,针对单周控制的开关功率放大器输出端存在的直流偏置问题进行了理论研究,提出了改进方案,并通过仿真和实验研究进行了验证。试验样机已经研制成功。

　　2.6 单周控制在不间断电源中的应用

　　UPS不仅是不停电,还要保护数据的安全性。事实上,任何信息产品,最终都要保证数据在处理存储和传输的全过程中做到高速、准确、安全。单周控制的UPS可分别用双极性模式和单极性模式两种方式实现,采用双极性模式的UPS其控制电路简单,主要由可复位积分器、一个比较器、触发器及时钟组成,但在负载较轻时易出现直流偏移;单极性控制模式的UPS虽然需要较为复杂的电路来解决输出电压过零点的误差问题,但逆变器电源部分只有两个开关工作在较高的开关频率,其它两个工作在工频,可减小开关损耗,提高开关效率,在正、负半周工作在对称情况下,消除了直流偏移。单极性操作模式输出为正、负、零3个等级的电压信号,可有效降低其PWM波形的低次谐波和电磁干扰,减小输出滤波器的体积。在两种模式下,单周控制的UPS工作频率恒定、动态响应速度快,在负载电压变化和输入电压畸变时都表现出很强的鲁棒性,输出电压畸变较小。目前对单周控制UPS的研究较少,只处在理论分析和探索中。

　　2.7 单周控制在静止无功发生器中的应用

　　静止无功发生器简称S V G ( S t a t i c V a rGenerator)也是一种电力电子补偿装置。与静止无功补偿装置(SVC)不同的是通过发出无功功率达到无功补偿的目的,不需要大容量的电抗器、电容器等储能元件。一般指自换相电力半导体桥式变流器型动态无功补偿装置。

　　单周期控制的静止无功发生器主要研究内容是在对应用单周期控制的静止无功发生器建立数学模型的基础上,分析直流侧电压波动和两电容电压不平衡的原因,结合单周期控制法提出了一种有效、简单的解决办法。该方法目前的进展还处于系统的仿真阶段。

　　2.8 单周控制在交流稳压电源中的应用

　　在交流稳压电源(AC stabilizer)当中,补偿式电源有其比较突出的优点。由于补偿式电源所采用的电力变换器的容量按照补偿功率选取,容量要比电源的额定值小很多,所以与其他类型的稳压电源相比,具有更好的经济效益以及体积小、重量轻的优点。现有的补偿式交流稳压电源补偿电压的调节方式有下列三种:

　　(1)采用多抽头变压器,用双向晶闸管调节补偿电压,补偿电压有级差;

　　(2)通过机电式机构调节自耦变压器的触头来调节补偿电压, 动态响应速度慢;

　　(3)采用交流斩控技术来调节补偿电压,但是由于交流斩控电路的输出电压始终要和输入电压保持同相,为使其应用于补偿式结构中,则必须附加电压极性变换电路,电压极性变换电路一般采用双向晶闸管,它采用过零触发,其动态响应时间不可能很快,而且采用有电压、电流相位检测的非互补控制方式过于复杂。单周控制稳压电源具有两大特点:一是可以四象限运行,适用于感性、容性等各种负载。二是具有单周期控制的特点,抗输入扰动性能好,并且能够快速跟踪给定。

　　将单周期控制技术引入交流稳压电源,快速抑制了输入侧的扰动,电源的输出不受输入的影响,使得系统具有快速的动态响应。采用交流斩波串联补偿方式,可以保持能量的双向通路,负载适应性强,并且使得单周期控制方式便于实现。目前己经通过了5kW的试验样机测试。

　　2.9 单周控制在光伏电源最大功率点跟踪控制中的应用

　　单周控制的光伏电源最大功率点跟踪控制法,在一周期内,最大功率点跟踪控制器可根据日照水平将光伏电源系统的工作点自动调节到最大输出功率点,同时向电网注入单位功率因数的正弦电流。系统避免了传统光伏电源的两级功率转换(一级控制直流/直流变换器跟踪最大功率点,一级直流/交流变换器提供和电网电压同相的正弦电流),用一单级功率电路和一单周控制器相结合实现两项功能:最大功率点跟踪和直流/交流转换。该控制器结构简单,在理论分析和试验校正得出电路参数后,系统稳定收敛在最大功率点,转换效率可达95.6%，电网电压THD为5.215%的情况下电源电流THD仅为5.769%，达到较高控制精度和稳定度。这种方法极大地简化了装置，降低了成本，增加了光伏电源商业化的可能性,也为可再生能源的能量注入电网提供了一种简单、易行、高效的转换方案。

　　3 结束语

　　以上介绍和分析了单周控制理论的原理和现状及其在DC/DC变换器、功率因数校正、有源电力滤波器、逆变器、开关功率放大器、不间断电源、静止无功发生器、交流稳压电源以及光伏电源最大功率点跟踪控制中的应用情况,单周控制在各种实际应用中的特点如下:

　　3.1 单周控制的优点

　　(1)单周控制使开关变量在一个开关周期中精确地跟随参考信号,动态响应速度快,抗电源扰动能力强。

　　(2)单周控制能有效地消除电源纹波干扰,也可以消除大部分的谐波成分,大大减少输出谐波含量,不需要高精度的直流电源,有利于简化系统结构,降低成本。

　　(3)单周控制自动地校正功率开关的暂态误差和导通误差,输出没有交越失真,能得到很高的线性度。

　　(4)控制电路简单,不需要加法及乘法器等复杂元器件;不需要产生参考信号,也不需要过多的电压传感器。

　　3.2 单周控制的缺点

　　(1)单周控制技术对负载扰动抑制能力差,负载动态响应慢,通过检测每个开关周期的电感电压平均值,并引入积分器来改善系统动态响应,该方案也存在不能实现最优动态响应的问题。

　　(2)控制器对开关误差校正能力有限,系统存在稳态误差。

　　(3)当变换器因负载扰动从电感电流连续模式进入不连续模式时,系统会出现不稳定,如果将输入电压误差引入积分器,负载扰动抑制会有所改善,但负载扰动信号是基于输出电压误差,不能实现最优动态响应。

　　3.3 需要进一步研究的问题

　　(1)单周控制是一种新的非线性控制理论,它在理论与实践中还有待进一步研究和讨论。如单周控制器输出电流直流分量、开关误差校正能力、负载扰动抑制等,虽采取了一些克服办法,也提出了不少改进模型,但仍缺乏完全克服缺陷的理想办法,需进行深入研究,建立一套完整的理论体系。

　　(2)加强单周控制系统建模的准确性。因模型是单周控制的基础,建立在较精确模型上的单周控制势必使其系统的输出更准确,从而得到更为有效的控制。

　　(3)单周控制本身的特点使现存算法中主要设计参数与系统的稳定性、动静态特性和鲁棒性间定量的解析表达式难以得到,故关于稳定性和鲁棒性的定量研究与分析还远远不够,这将是今后研究的一个重要方向。

　　(4)虽然单周控制在工业应用上做了大量研究,但总体上仍停留在理论分析和仿真实验上,真正用于工程实践很少,因此须加强理论研究与实际工程应用的结合,加快成熟应用模型的产品化工作。

　　参考文献

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　　作者简介

　　李海林,(1982-)男,汉族,硕士研究生。研究方向为电力电子装备的智能监测与控制。

　　王燕京,(1953-)男,汉族,高级工程师。研究方向为电力电子技术及应用。

　　侯振义,(1952-)男,汉族,教授,博导。研究方向为电力电子技术及应用。【红尘有你】