2月46標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號：470.40兩級式單相逆變器輸入電流低頻紋波分析及抑制王建華（1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇省南京市210096；2.金華電業(yè)局，浙江省金華市322100；3.航空電源航空科技重點(diǎn)。

　　兩級式單相逆變器架構(gòu)單相系統(tǒng)的瞬時輸出功率不是恒定的，它在一個直流分量的基礎(chǔ)上疊加了一個2倍系統(tǒng)頻率2/ac的交流分量。不考慮逆變器功率轉(zhuǎn)換時效率損失，帶單相逆變器負(fù)載的直直變換器輸入功率中含有較大的低頻脈動分量，不同于傳統(tǒng)帶阻性負(fù)載的直直變換器在閉環(huán)工作時呈現(xiàn)的恒功率特性。對于該脈動功率，通過對變換器控制，理論上有3種處理方式：1）將該脈動功率轉(zhuǎn)移至第三方儲能裝置；2）容許該脈動功率以脈動電流的形式出現(xiàn)在輸入端（由輸入端電源提供）；3）容許該脈動功率出現(xiàn)在中間母線（由變換器自身感容儲能元件平衡）。

　　處理該功率脈動一系列較好的解決方案，多屬于處理方式1），但該方式往往使系統(tǒng)呈現(xiàn)多端口特性，電路本身及控制方式均較復(fù)雜。從處理方式2）的角度出發(fā)，提出直流有源濾波器方案，傳統(tǒng)Buck類變換器及電池特性未知情況而言，并不是一個通用解決方案。處理方式3）的典型解決方案可歸納為無源及有源兩類，借助較大的電解電容來平滑母線電壓波動，并減小該紋波電流值，但這將使得系統(tǒng)體積和重量很難減小。

　　加入額外電感，系統(tǒng)體積和重量仍無法進(jìn)一步減小。從控制角度對輸入電流低頻脈動問題作了詳盡分析，基于直直變換器線性交流小信號模型研究了紋波的產(chǎn)生及傳遞機(jī)理，并提出相應(yīng)主動紋波抑制策略（實(shí)質(zhì)是平均電流控制），在不改變主電路的同時有效平衡了功率脈動，是比較好的選擇。但該線性交流小信號模型建立在變換器為理想直流變壓器的前提下，即帶寬無限。

　　而該主動紋波抑制方案的效果卻依賴于變換器的不同控制帶寬設(shè)計，具體可按自控原理中梅森公式推導(dǎo)獲得。

　　為輸出電壓米樣系數(shù)；G辦）為外環(huán)補(bǔ)償器增益；Fm（s）為脈寬調(diào)制（pulsewidthmodulation，PWM）調(diào)制增益；Gid（s）為輸入電流對占空比的傳遞函數(shù)；Gd（s）為輸出電壓對占空比的傳遞函數(shù)；i（s）為電流采樣系數(shù)；Gi（s）為內(nèi)環(huán)補(bǔ)償器增益；GiLd（S）為電感電流對占空比的傳遞函數(shù)；G（s）為電感電流對輸出電流的傳遞函數(shù)。

　　由以上分析可知，前級直直變換器濾波電感設(shè)計已不同于傳統(tǒng)帶阻性負(fù)載的直直變換器的電感器設(shè)計，后者的擾動信號頻率通常為開關(guān)頻率，配置ic濾波器諧振頻率/.適當(dāng)?shù)陀陂_關(guān)頻率/s即可，因而通常按電感電流若干分之一連續(xù)初選電感值可以獲得相對較小的體積和重量與較好的濾波效果。帶單相逆變器負(fù)載的直直變換器輸出濾波器處理的擾動信號不僅有開關(guān)紋波，還含有2/ac=800Hz低頻紋波，為了抑制低頻擾動紋波，需要配置iC濾波器的諧振頻率遠(yuǎn)低于800Hz，可以選取/.=24/5作為設(shè)計初始值，再折衷考慮體積和重量與4⑷的濾波效果。

　　2.2平均電流控制策略電流型控制引入電流作為控制對象，理論上可以實(shí)現(xiàn)對電流控制。本文引入平均電流控制模式，采樣電感電流作為內(nèi)環(huán)控制對象。（b）比較了Buck變換器在開環(huán)控制、單電壓環(huán)控制、平均電流控制情況下4（4的幅頻特性曲線。由可知，在100Hz處，來自負(fù)載電流的擾動信號不能為開環(huán)及單電壓環(huán)策略所抑制，但可以通過平均電流控制實(shí)現(xiàn)有效抑制。其在100Hz處提供了-10dB的衰減，足以抑制來自負(fù)載側(cè)的擾動紋波。

　　考慮紋波抑制的需要，系統(tǒng)主電路及調(diào)節(jié)器設(shè)計準(zhǔn)則需要作如下適當(dāng)改進(jìn)（本文采用的是典型Venable2型單零點(diǎn)雙極點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)作為外環(huán)及內(nèi)環(huán)電流環(huán)控制器，其他補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)亦可）：直直變換器外環(huán)及內(nèi)環(huán)止頻率要求錯開，否則環(huán)路間相互作用有可能導(dǎo)致變換器不能正常工作。此時進(jìn)一步要求兩者以100Hz為中心，相差至少10倍頻，以滿足⑷在中頻段100Hz處的衰減效果。

　　外環(huán)截止頻率/希望盡可能低。

　　電流環(huán)截止頻率/在確保穩(wěn)定性前提下通常愈高愈好，以改善變換器動態(tài)性能。其遠(yuǎn)高于100Hz擾動信號頻率，能夠提供中頻段足夠的衰減。

　　按如上所述設(shè)計準(zhǔn)則，設(shè)計外環(huán)截止頻率為/c=6Hz，電流內(nèi)環(huán)截止頻率/cl=2kHz，相位裕度均為40.左右，同時（s）在中頻段100Hz處足夠的衰減。需要指出的是，此時外環(huán)截止頻率較低，使得變換器類似于功率因數(shù)校正控制器，穩(wěn)定性較好，但動態(tài)性能較慢。由于兩級式逆變器動態(tài)性能主要由后級逆變器決定，因此該設(shè)計并不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)及動態(tài)性能。但在突加負(fù)載時，由于前級變換器動態(tài)響應(yīng)較慢，有可能導(dǎo)致母線電壓瞬時跌落較多，若干個工頻周期后級正弦波電壓出現(xiàn)削頂現(xiàn)象，其后恢復(fù)正常。

　　40dB/10倍頻斜率下降，直至外環(huán)補(bǔ)償器零點(diǎn)位置；100Hz所在中頻段處4（s）幅頻曲線持續(xù)平直，直至電流環(huán)截止頻率/ci=2kHz為止。因此，對于給定前端變換器，有以確定外環(huán)截止頻率允許比較大值/co，max：此時外環(huán)截止頻率要求小于/co，max=17.8Hz，以確保足夠的增益衰減。

　　3仿真及（圖中給出的是直直變換器半周工作電感電流，與另一半電感電流共同組合為恒定直流電流）。此時電流環(huán)截止頻率/ci被推高至6kHz以獲得更好的動態(tài)性能，遠(yuǎn)高于2倍輸出電壓頻率100Hz，且外環(huán)截止頻率/ra為6Hz.此時有4（-2兀-100）=-10dB，提供了足夠的電流增益衰減以抑制來自輸出側(cè)的電流脈動影響。由0可知，輸入電流基本平直，低頻紋波分量<2%，可以實(shí)現(xiàn)恒功率輸入。

　　1400Hz逆變器樣機(jī)測試波形好地被抑制到5%以下，滿足規(guī)格書中輸入電流15%低頻紋波限制要求。

　　電壓型控制為驗證該方法的普適性，該分析方法及控制方案在一臺600VA 28V輸入115V/400Hz兩級式單相航空靜止變流器工程樣機(jī)上進(jìn)行驗證，該樣機(jī)前級為推挽正激直直變換器，后級為三態(tài)滯環(huán)電流控制全橋逆變器，中間母線電壓。=180V（主電路及控制參數(shù)未知）。測試結(jié)果如1所示，可知改進(jìn)前輸入電流中800Hz的25%低頻紋波分量能夠很4結(jié)論揭示了在兩級式單相逆變器輸入電流紋波抑制方面，平均電流控制要優(yōu)于開環(huán)及電壓型控制。

　　建立直直變換器電流反向增益模型d辦），并基于其給出前級平均電流控制直直變換器主電路及控制電路設(shè)計準(zhǔn)則外環(huán)截止頻率/盡可能低；電流環(huán)截止頻率兄遠(yuǎn)高于兩倍輸出電壓擾動信號頻率，以提供⑷中頻段足夠的衰減。

　　能夠?qū)崿F(xiàn)兩級式單相逆變器恒功率工作。

　　致謝航空航天大學(xué)碩士研究生李姣麗和鄧翔高級工程師幫助下完成，本文作者一并表示誠感謝！