一種基于滑?？刂频男滦虰oost正弦波逆變器

1　引言

逆變器是將直流變成交流的靜止變流裝置，我們把傳統(tǒng)的電壓源逆變器(VSI)稱(chēng)為Buck逆變器，是指瞬時(shí)平均輸出電壓低于直流輸入電壓，電路如圖1所示。它已廣泛應(yīng)用到交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和不間斷電源(UPS)系統(tǒng)中。因此，當(dāng)需要輸出電壓高于輸入電壓時(shí)，必須在直流電源和逆變器之間加一個(gè)DC-DC變換器。如圖2所示，涉及到功率和電壓等級(jí)問(wèn)題，這將導(dǎo)致逆變器體積增大、重量增加、價(jià)格升高和效率降低。

本文討論一種新的電壓源逆變器，稱(chēng)為Boost逆變器，它由兩組對(duì)稱(chēng)boost電路組成，將產(chǎn)生一個(gè)比直流輸入電壓高的交流輸出電壓，并采用滑模控制策略，利用它對(duì)系統(tǒng)參變量的擾動(dòng)和負(fù)載的變化都具有不敏感性，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，從而獲得平滑的正弦波輸出電壓。

2　新型逆變器的工作原理

本文討論的正弦波逆變器基本電路如圖3所示,它是由兩個(gè)boost DC-DC變換器組成,通過(guò)滑模控制,使每個(gè)DC-DC變換器各產(chǎn)生一個(gè)有相同直流偏置的單極性正弦波輸出電壓,而且兩個(gè)輸出電壓在相位上相差180°。由于負(fù)載跨接在兩個(gè)DC-DC變換器之間，所以，每個(gè)逆變器流過(guò)雙向電流，對(duì)于其中一個(gè)DC-DC變換器，如圖4所示。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]對(duì)boost電路的分析，用平均值的概念，我們可得到連續(xù)導(dǎo)通模式下的電壓關(guān)系式

(1)

這里D是占空比。

由于兩個(gè)DC-DC變換器相差180°，則可得到另一個(gè)DC-DC變換器輸出電壓的關(guān)系式：

根據(jù)式⑷可獲得如圖5關(guān)系特性曲線圖，從圖中可見(jiàn)D=0.5時(shí),輸出電壓特性為零,如果占空比圍繞這個(gè)點(diǎn)變化,在輸出端可獲得正弦波電壓。

圖5　 boost逆變器輸出特性

3. 滑模控制器的設(shè)計(jì)

滑模變結(jié)構(gòu)控制理論產(chǎn)生于五十年代，歷經(jīng)四十余年已發(fā)展成為一種完備的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。它實(shí)質(zhì)上是一種高頻開(kāi)關(guān)控制的狀態(tài)反饋系統(tǒng)，由于滑模控制方案具有穩(wěn)定性好、魯棒性強(qiáng)和良好的動(dòng)態(tài)性能以及控制容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)?；？刂凭褪抢酶咚偾袚Q的開(kāi)關(guān)控制，把受控非線性系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡引向一預(yù)先指定的狀態(tài)平均空間平面(滑模面)上，隨后系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡就限定在這個(gè)平面上，因此，一個(gè)滑?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)為兩個(gè)方面：首先是尋求滑模面函數(shù)，使控制系統(tǒng)在滑模面上的運(yùn)動(dòng)漸趨穩(wěn)定且品質(zhì)良好;其次是設(shè)計(jì)變結(jié)構(gòu)控制，使系統(tǒng)可由相空間的任一點(diǎn)于有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)滑模面，從而在滑模面上形成滑模控制區(qū)。

由于本逆變器由兩組對(duì)稱(chēng)boost DC-DC電路組成，并具有獨(dú)立性。下面僅對(duì)一個(gè)雙向DC-DC變換器(圖4所示)的控制進(jìn)行分析，控制框圖如圖5所示。工作過(guò)程如圖6所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合時(shí)S2打開(kāi)，iL1線性增加，二極管處于反向偏置，電容C1通過(guò)負(fù)載放電，V1電壓降低;當(dāng)S1打開(kāi)時(shí)S2閉合，iL1流過(guò)電容C1和輸出端，iL1減少而電容C1充電。

由變量iL1和V1表示的等效狀態(tài)空間模型電路如下：

式中Υ開(kāi)關(guān)狀態(tài)， 狀態(tài)變量誤差。定義Υ為

(7)

為獲得較好的輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)，以狀態(tài)變量偏差(根據(jù)參考變量的差定義)的線性組合來(lái)表示狀態(tài)空間的滑動(dòng)平面方程由(5)式給出

S(iL1,V1)=k1ε1+k2ε2=0　　　　　　　(8)

這里系數(shù)k1和k2是增益,ε1是輸出電壓偏差,ε2是輸出電流偏差,可表示為式(6)、式(7)：

ε1=i1-iLref　　　　　　　　　　　　(9)

ε2=V1-Vref　　　　　　　　　　　　 (10)

S(iL1,V1)=k1(i1-iLref)+k2(V1-Vref) (11)

信號(hào)S(x)通過(guò)一個(gè)滯環(huán)比較器產(chǎn)生開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)，通過(guò)閉環(huán)控制，使得變量S(x)根據(jù)變結(jié)構(gòu)理論，變換器方程可改寫(xiě)為：

式中x為狀態(tài)變量誤差，

把(13)代入(11)中，可得如下等式：