單周控制原理及其應用

0 引言

20 世紀90 年代初，美國加州理工學院的K.M.Smedley 博士提出一種大信號非線性控制理論方法———單周控制理論(One Cycle Control)，它是在開關放大器的PWM控制基礎上發(fā)展起來的。

其突出優(yōu)點是無論在穩(wěn)態(tài)還是在暫態(tài)情況下，都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于控制參考信號，即能在一個周期內(nèi)，有效地抵制電源側(cè)的擾動，既沒有靜態(tài)誤差也沒有動態(tài)誤差，動態(tài)響應快速，對輸入擾動抑制能力強。開關變換器是脈沖式的非線性動態(tài)系統(tǒng)，大多數(shù)采取的控制方案是首先通過線性化控制方程逼近這個非線性動態(tài)系統(tǒng)，然后再采用線性反饋技術進行控制。這種方法限制了開關非線性系統(tǒng)的功能。而單周控制沒有這種限制，因而得到了學術界的廣泛認可，也成為了學者們研究的熱點。

單周控制與其它現(xiàn)有PWM控制方法相比，結構簡單、響應速度快、穩(wěn)定性好，可適應高精度、高速度和高抗干擾的控制要求。單周控制已在DC-DC變換器、功率因數(shù)校正、有源電力濾波器、逆變器、開關功率放大器、不間斷電源、交流穩(wěn)壓電源、靜止無功發(fā)生器以及功率放大和光伏電源最大功率點跟蹤控制等方面得到大量應用。在國外，己有公司開始致力于將單周控制模塊化并投入到商業(yè)運營。

1 單周控制原理

將單周控制的基本原理應用于各種電流控制上，就可以得到電荷控制(Charge Control)，準電荷控制(Quasi-Charge Control)，非線性載波控制(Nonlinear Carrier Control)和輸入電流整形技術(Input Current Control)等新型控制技術。從形式上看電荷控制是電流型的單周期控制，其控制思想是控制開關的電流量，使之在一個周期內(nèi)達到期望值。準電荷控制也是一種電流型的單周控制。

準電荷控制是在電荷控制的基礎上，用RC 網(wǎng)絡代替電荷控制時電路中的C 網(wǎng)絡。非線性載波控制的控制電流可為開關電流、二極管電流或電感電流，從電路的拓撲結構上講非線性載波控制技術是在電荷控制的基礎上增加了一個外加的非線性補償，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在非線性載波控制中當電路工作在電流連續(xù)狀態(tài)下，系統(tǒng)就是穩(wěn)定的，而電路工作在斷續(xù)狀態(tài)下，系統(tǒng)是小信號穩(wěn)定的;另外非線性載波控制工作在斷續(xù)條件下會產(chǎn)生輸入電流的畸變。輸入電流整形技術用于檢測二極管上的電流，從形式上說是一種類似于非線性載波控制的控制方案，從控制的實質(zhì)上講它是平均電流控制的一種反用。

2 單周控制在電力電子領域中的應用

2.1 單周控制在DC-DC變換器的應用

DC-DC變換器將輸入的直流電壓，經(jīng)高頻斬波或高頻逆變后，再經(jīng)整流和濾波環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成所需幅值的直流電壓。因DC- DC 變換器非線性強，所以建立模型相當困難，故采用經(jīng)典控制法———電壓型控制技術和電流型控制技術難以達到控制要求。電壓型控制技術是當輸入電源電壓、負載、功率電路元器件參數(shù)變化時，只有等到輸出電壓變化后，反饋環(huán)路才能起到調(diào)節(jié)輸出電壓的作用，動態(tài)響應速度慢;為了降低系統(tǒng)的靜態(tài)誤差、功率電路的大時間常數(shù)和控制信號的傳遞延遲對系統(tǒng)動態(tài)響應速度的影響，必須采用高增益、寬頻帶的運放，從而導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，即系統(tǒng)的靜態(tài)性能、快速性與穩(wěn)定性之間存在矛盾。而電流型控制技術不能承受持續(xù)的短路，由于在短路輸出時，誤差放大器已失去了作用，使電路工作于最大占空比，增大了輸入功率;同時變換器的電路損耗劇增，這是因為功率開關管的關斷僅受流過開關管上的峰值電流脈沖控制。

單周控制技術應用于DC- DC變換器，具有很強的抗輸入電壓干擾能力，對短路有保護功能，可以承受持續(xù)的短路;并且很好地解決了系統(tǒng)的靜態(tài)性能、快速性與穩(wěn)定性之間的矛盾。單周期控制技術應用于DC-DC 變換器，其不足主要在于對開關誤差的校正能力有限，系統(tǒng)存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，系統(tǒng)的負載動態(tài)響應速度較慢，過沖嚴重。

通過一定的策略可對輸入電壓和負載電流擾動進行抑制，但不能實現(xiàn)變換器的最優(yōu)動態(tài)響應。目前只是對單周期控制的半橋式DC-DC 變換器進行了理論分析和系統(tǒng)仿真。

2.2 單周控制在功率因數(shù)校正中的應用

功率因數(shù)校正(PFC)技術是抑制AC 輸入電流發(fā)生波形畸變的主要方法，其使整流二極管的導通角趨于180毅，產(chǎn)生與AC 電壓同相位的AC 輸入正弦波電流，致使系統(tǒng)功率因數(shù)十分接近于1。

PFC 的控制策略按照輸入電感電流是否連續(xù)，分為不連續(xù)導通模式(DCM)和連續(xù)導通模式(CCM)。DCM 控制又稱電壓跟蹤方法，它是PFC中簡單而實用的一種控制方式，應用較為廣泛。

DCM 控制盡管簡單，但由于器件承受較大的開關應力，所以只能應用在小功率范圍。CCM 模式下有直接電流控制與間接電流控制兩種方式。直接電流控制的優(yōu)點是電流瞬態(tài)特性好，自身具有過流保護能力，但需要檢測瞬態(tài)電流，控制電路復雜。間接電流控制的優(yōu)點是結構簡單、無需電流傳感,缺點是穩(wěn)態(tài)性很差，動態(tài)響應慢，動態(tài)過程中存在直流電流偏移和很大的電流過沖。

單周控制PFC 把開關變量作為輸入電流，控制參考量作為輸入電壓，這樣使輸入電流在單個周期內(nèi)能跟隨輸入電壓變化，采樣電流也隨電壓信號變化。從而實現(xiàn)功率因數(shù)校正目的，功率因數(shù)非常接近于1。采用單周控制可以簡化控制電路的設計，不需要使用乘法器，不用檢測輸入電壓，使系統(tǒng)更易實現(xiàn)，并且降低了設備的經(jīng)濟成本。

PFC 是單周控制應用較成熟的領域之一，在單相和三相功率電路中都得到成功的應用，并取得很好的效果。功率已做到了500 W，頻率最大已做到100 kHz。

2.3 單周控制在有源電力濾波器中的應用

有源電力濾波器(Active Power Filter, APF)作為一種用于動態(tài)抑制諧波和補償無功功率的新型電力電子裝置，可對大小和頻率都變化的諧波分量和無功功率進行補償。其補償性主要取決于對畸變電流的實時準確檢測和逆變器輸出電流的控制策略。單周控制有源濾波器(UCI-APF)是諧波補償?shù)男路较?，與常用的APF相比，UCI-APF 控制方法具有簡便、采樣通道少、電路成本低、檢測量少、控制器結構簡單以及魯棒性強等優(yōu)點，可調(diào)節(jié)功率因數(shù)接近1，故在中小功率場合有推廣價值。但經(jīng)典的UCI-APF對電路參數(shù)的依賴性非常大，當控制電路積分參數(shù)出現(xiàn)偏差或浮動時，主電路上的進線電流將引入直流分量，這嚴重阻礙其推廣應用。

單周控制有源濾波器的控制目標是消除諧波并調(diào)節(jié)功率因數(shù)接近1，因此當有源濾波器有效工作時，網(wǎng)側(cè)電流波形跟蹤電壓波形，整個系統(tǒng)能夠等效為線性負載(等效阻抗為Re)，即

由上面分析可見，控制方程可由單周控制的方式實現(xiàn)，但要求積分速度非常精確。單周控制是一種非線性的占空比調(diào)制方式，其目的是在一個