【文章內(nèi)容簡介】 L和蓄電池就一起向負(fù)載和濾波電容C提供能量。其等效電路如圖35 所示。圖35 IGBT關(guān)斷時的等效電路當(dāng)市電正常供電時，電網(wǎng)給蓄電池充電，雙向DC/DC變換器工作在Buck模式，也就是降壓模式。該降壓電路由電感L、IGBT(T1)和續(xù)流二極管D2組成，如圖36 所示。在降壓模式下，雙向DC/DC變換器也有兩種工作狀態(tài)：圖36雙向DC/DC變換器工作在降壓模式工作狀態(tài)l：當(dāng)T1導(dǎo)通時，二極管D2反偏截止，電流通過儲能電感L，向蓄電池供電，電流通過儲能電感L將電能轉(zhuǎn)換成磁能存在儲能電感L中。其等效電路如圖37 所示。圖37 IGBT導(dǎo)通時的等效電路工作狀態(tài)2：當(dāng)T1截止時，由于儲能電感的電流不能突變，所以在它的兩端便感應(yīng)出一個與原來極性相反的自感電勢，使續(xù)流二級管導(dǎo)通。此時儲能電感L便把原先儲存的磁能轉(zhuǎn)換成電能供給電池。其等效電路如圖38 所示。圖38 IGBT關(guān)斷時的等效電路 電路參數(shù)設(shè)計在系統(tǒng)中，兩個IGBT以恒定的開環(huán)頻率工作，采用PWM的方式控制，通過改變IGBT的占空比，便可以改變輸入/輸出電壓的大小。 開關(guān)器件的頻率選擇選擇器件的開關(guān)頻率主要參考：(1)開關(guān)頻率越高，變換器的體積和重量便可以做的越小。(2)器件開關(guān)的損耗是一定的，開關(guān)頻率的提高會導(dǎo)致器件運(yùn)行損耗增加。(3)提高開關(guān)頻率有助于降低變換器的工作噪聲。(4)普通IGBT的開關(guān)頻率最大值為20kHz。參考以上原則和其他文獻(xiàn)資料，選用的IGBT開關(guān)頻率fK為20kHz。 電感L的計算電路的電感L需要滿足充放電兩種狀態(tài)，所以要計算兩種狀態(tài)下的電感量并進(jìn)行綜合考慮。將變換器中開關(guān)管的占空比表示成電壓變比(V0/Vi)的函數(shù)。Boost模式時 (34)Buck模式時 (35)電感參數(shù)的選擇應(yīng)考慮平均電感電流IL與最大負(fù)載電流I0。Boost模式時 (36)Buck模式時 (37)首先考慮工作在Buck模式下：電感的紋波電流取If=1A，根據(jù)設(shè)計要求輸入電壓220V，充電電壓120V，此時開關(guān)器件占空比D=120/220=，根據(jù)公式37計算電感L的值 (38)再考慮Boost模式下：設(shè)電感紋波電流If=2A,根據(jù)設(shè)計要求蓄電池輸出120V，DC/DC變換器輸出240V，此時占空比為D=1120/240=，根據(jù)公式38計算電感L的值 (39) 根據(jù)實(shí)際仿真，選取的電感值L=。 電容設(shè)計在電路仿真時使用了兩個電容，一個并聯(lián)在蓄電池兩端作為充電濾波電容，一個并聯(lián)在輸入/輸出口，作為放電濾波電容。先設(shè)計蓄電池的并聯(lián)電容，一個開關(guān)周期內(nèi)電容電荷量為 (310)電容的計算公式為 (311)設(shè)電壓紋波Uf=根據(jù)實(shí)際仿真取C1=70μF接下來計算輸入/輸出口并聯(lián)的電容C2的值 (312)設(shè)母線上的等效輸出電阻R=16Ω，紋波電壓Uf=1V，由式311得根據(jù)實(shí)際仿真選取C2=3000μF。 建立變換器的小信號模型本文使用小信號模型法給雙向DC/DC變換器建模，系統(tǒng)原理如圖32所示，在分析時，使用理想的電壓源Vb和一個小內(nèi)阻Rb的串聯(lián)作為蓄電池的等效電路，再由等效理想的電壓源擾動為零，所以雙向DC/DC變換器在充放電兩種狀態(tài)下的小信號模型是相同的，下面來通過等效模型求變換器的傳遞函數(shù)。充電時，由母線電壓給負(fù)載RL供電，同時通過雙向DC/DC變換器給蓄電池充電，在穩(wěn)定情況下，負(fù)載RL所消耗的能量是恒定的，對充電沒有影響，濾波電容C1是針對于放電時的濾波，充電時其電壓也保持恒定不變，對系統(tǒng)沒有影響，這樣便可得到變換器在Buck模式下的小信號模型，如圖39所示。圖39 Buck模式下等效電路當(dāng)開關(guān)器件（IGBT）S1閉合時，狀態(tài)方程為： (313)當(dāng)開關(guān)器件（IGBT）S1斷開時，狀態(tài)方程為： (314)在此基礎(chǔ)上，設(shè)D1為S1的導(dǎo)通占空比，通過小信號模型的傳遞函數(shù)可以得到Buck模式下，控制輸出傳遞函數(shù)和輸入輸出傳遞函數(shù)分別 (315) (316)與Buck模式相似，在Boost模式下，設(shè)Rb=0，E=Vb，得到放電模式下的等效電路如圖310所示。圖310 Boost模式下等效電路當(dāng)開關(guān)器件（IGBT）S2閉合時，狀態(tài)方程為： (317)當(dāng)開關(guān)器件（IGBT）S2斷開時，狀態(tài)方程為： (318)在此基礎(chǔ)上，設(shè)D2為S2的關(guān)斷占空比，通過小信號模型的傳遞函數(shù)可以得到Boost模式下，控制輸出傳遞函數(shù)和輸入輸出傳遞函數(shù)分別為： (319) (320) 變換器控制方案設(shè)計在前面的分析中可知，雙向DC/DC變換器工作在升壓模式時，由蓄電池給電網(wǎng)供能，放電要求電壓輸出穩(wěn)定，需要實(shí)現(xiàn)輸出電壓負(fù)反饋控制使電壓穩(wěn)定，使用電壓單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。變換器工作在降壓模式時電網(wǎng)給蓄電池充電，由上舉出的幾種充電方法中，綜合考慮使用恒壓充電法，恒壓充電法的實(shí)現(xiàn)比較簡單，且EPS的使用頻率不會很高，充電時間長可以接受。所以在降壓模式下對DC/DC變換器使用電壓負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制，使用電壓單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 恒壓充電控制設(shè)計根據(jù)上一節(jié)對雙向DC/DC變換器的小信號模型分析，綜合系統(tǒng)考慮，得到變換器在充電狀態(tài)下的閉環(huán)系統(tǒng)方框圖，如圖311所示。VR+ 圖311 恒壓充電閉環(huán)系統(tǒng)方框圖圖311中使用PI調(diào)節(jié)器為電壓調(diào)節(jié)器，得系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)： (321)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)： (322)由上式可知雙向DC/DC變換器為三階系統(tǒng)，可采用極點(diǎn)配置法對上述系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計，其中有三個閉環(huán)極點(diǎn)，設(shè)ζ為期望的阻尼比，ω為自然頻率，閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)為： (323)閉環(huán)非主導(dǎo)極點(diǎn)為： (324)式中n為常數(shù)，n的值越大，系統(tǒng)特性越接近于閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)決定的二階系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)特征方程為：(325)由式321和324可得： (326)已知參數(shù)為：L=19mH，C1=70μF，C2=3000μF，輸入電壓Uin=220V，蓄電池電壓E=120V，蓄電池等效電阻Rb=,考慮到響應(yīng)速度和超調(diào)量，本文選取的預(yù)期阻尼比ζ=，預(yù)期自然頻率ω=2000，n=7，計算出PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為Kp=2，Ki=，結(jié)合實(shí)際仿真情況，最后選取Kp=，Ki=。 恒壓放電控制設(shè)計蓄電池放電時，由雙向DC/DC變換器給SPWM逆變器供電，此時需要電壓為恒定值，來提高逆變器供給負(fù)載的電源質(zhì)量，根據(jù)前幾節(jié)的介紹，可以得到放電模式下閉環(huán)系統(tǒng)方框圖，如圖312所示。VR + 圖312 放電模式閉環(huán)系統(tǒng)框圖蓄電池放電時的推導(dǎo)過程和充電時一樣，系統(tǒng),使用的任然是PI調(diào)節(jié)器控制電壓閉環(huán)負(fù)反饋，設(shè)負(fù)載大小為RL=20Ω，C1=70μF，D2=，所求的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為Kp=1，Ki=1，結(jié)合實(shí)際仿真情況，最后選取Kp=，Ki=1。 單相SPWM逆變器當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時,蓄電池通過雙向DC/DC電路升壓放電,通過4個IGBT組成的橋式逆變器將直流電變換成交流電，再經(jīng)過濾波器濾除諧波向負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓。 SPWM逆變器工作原理如圖313所示，逆變器電路共有四個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。橋臂1和4為一對，橋臂2和3為另一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通180176。其輸出電壓的波形為矩形波。電感L和電容C組成了濾波電路，輸出電壓經(jīng)過濾波電路后將變?yōu)檎也ㄝ敵?。圖313 單相橋式SPWM逆變電路圖中Ur為調(diào)制波，Uc為三角載波，本設(shè)計使用的是雙極性控制，三角波有正有負(fù)，在Ur的一個周期內(nèi)，輸出的PWM波有177。Ed兩種電平。在調(diào)制型號和載波信號的焦點(diǎn)時刻控制IGBT的通斷。當(dāng)UrUc時，給VD1和VD4導(dǎo)通信號，給VD2和VD3關(guān)斷信號，這時若i00，則VD1和VD4導(dǎo)通，若i00，則VD2和VD3導(dǎo)通，不管哪種情況都是輸出電壓U=Ed。當(dāng)UrUc時，給VD2和VD3導(dǎo)通信號，給VD1和VD4關(guān)斷信號，這時若i00，則VD2和VD3導(dǎo)通，若i00，則VD1和VD4導(dǎo)通，不管哪種情況，輸出的電壓都為U=Ed。 逆變器控制策略分析SPWM控制技術(shù)比較常見的有兩類：基于周期反饋的控制和瞬時反饋控制?；谥芷诜答伩刂浦饕念愋陀校弘妷河行е悼刂?，重復(fù)控制，諧波補(bǔ)償控制；瞬時反饋控制主要的類型有：單一電壓瞬時值反饋控制，帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋控制，狀態(tài)反饋控制，誤差拍控制，模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。根據(jù)設(shè)計要求和對系統(tǒng)功能的分析，本設(shè)計的EPS使用帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋控制。單閉環(huán)系統(tǒng)只檢測輸出端的電壓，只有在負(fù)載端受到擾動的影響后系統(tǒng)才能做出相應(yīng)的調(diào)整以應(yīng)對誤差信號。使用雙閉環(huán)設(shè)計，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別為電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，分別引入電壓負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，將兩者進(jìn)行串級連接，把電壓調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制SPWM逆變器上開環(huán)器件的導(dǎo)通，這樣電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)作為外環(huán)，電流環(huán)還可以將輸出的濾波電路電流變換為可控的電流源，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，電壓電流調(diào)節(jié)器都使用PI調(diào)節(jié)器 雙閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)圖314 SPWM調(diào)制示意圖如圖314所示，Vr為三角載波峰值，Vm為參考正弦信號，如圖313 SPWM逆變器的拓?fù)潆娐罚O(shè)輸入端為直流電壓源Vg，電感和電容的濾波電路傳遞函數(shù)可以表示為： (327)雙極性SPWM調(diào)制時Vi可以表示為： (328)式中S為開關(guān)函數(shù)，當(dāng)VD1導(dǎo)通時S=1，當(dāng)VD2導(dǎo)通時S=0，由于開關(guān)函數(shù)S的存在式328中的Vi不連續(xù)，由式328求開關(guān)周期平均值得 (329)S開關(guān)周期平均值為，式中D(t)為占空比，由式328得 (330)將式330帶入式329得 (331)可以得出從調(diào)制器輸入至逆變橋輸出的傳遞函數(shù)為： (332)由電壓電流雙閉環(huán)控制可知，電壓反饋值與正弦波參考信號比較產(chǎn)生誤差，誤差信號經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后產(chǎn)生電流控制基準(zhǔn)信號，再由電流反饋值與基準(zhǔn)電流信號比較產(chǎn)生誤差信號，再進(jìn)過一個PI調(diào)節(jié)器，與三角載波比較產(chǎn)生用于控制開關(guān)器件的SPWM脈沖信號。KIKU+ + αβ圖315 逆變器雙閉環(huán)控制框圖如圖315所示，KU為電壓PI調(diào)節(jié)器，設(shè)其傳遞函數(shù)為，KI為電流PI調(diào)節(jié)器，設(shè)其傳遞函數(shù)為，α、β分別為電流、電壓反饋系數(shù)，可得電流內(nèi)環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： (333)電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： (334)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： (335)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： (336) 逆變器的參數(shù)設(shè)計 LC濾波器的參數(shù)設(shè)計LC濾波器的設(shè)計要考慮到開關(guān)器件的開關(guān)頻率，最大允許輸出的紋波電壓、電流。參考本章第二節(jié)中的介紹，逆變器中開關(guān)器件（IGBT）的開關(guān)頻率定為fs=20kHz。由LC濾波器可知 (337)濾波器中電感L可由式338求得 (338)將最大紋波電流Im控制在負(fù)載電流峰值的20%以下根據(jù)實(shí)際的仿真結(jié)果，電感值取L=。若將紋波電流近似看作正弦波，在濾波過程中由電容吸收，可以得到輸出紋波電壓最大值Um為 (339)令輸出的紋波電壓控制在1%以下，可得根據(jù)實(shí)際的仿真結(jié)果，電容值取C=20μF。 雙閉環(huán)的參數(shù)設(shè)計由電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)式333可知電流內(nèi)環(huán)為三階系統(tǒng)，可得系統(tǒng)開環(huán)的零、極點(diǎn)分別為： (340) (341) (342) 由于極點(diǎn)S1與零點(diǎn)很接近，對系統(tǒng)的影響不大，所以系統(tǒng)可以近似為二階系統(tǒng)，其性能將有主導(dǎo)極點(diǎn)SS3決定，式中L=，C=20μF，設(shè)負(fù)載電阻為R=30Ω，輸入電壓Vg=245V，輸出電壓V0=220V，經(jīng)過計算和實(shí)際仿真實(shí)驗(yàn)，電流內(nèi)環(huán)的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)最后取Kp=，Ki=30。由雙閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)式335可知雙閉環(huán)系統(tǒng)為三階系統(tǒng)，系統(tǒng)的開環(huán)零、極點(diǎn)分別為： (343) (3