重庆大学苗轶如等：单相电流源型逆变器储能电感电流优化调制及控制策略

苗轶如  刘和平  王华斌 王蒙蒙

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.171168

导语

在单相电流源型逆变器（CSI）的PWM调制过程中，直流侧储能电感电流无法控制，从而出现断续或持续增加的问题。本文对单相CSI拓扑结构做出改进，在对交流侧输出电流正确调制的前提下实现储能电感电流的精确控制，同时推导出任意工作条件下储能电感电流最小限定值。仿真与实验结果均一致证明本文提出的调制策略与控制方法是正确可行的。

研究背景

以石油为代表的传统能源的日益枯竭，以及生态环境的严重污染是当今人类面临的重大挑战，发展纯电动汽车是解决能源与环境问题的有效手段之一。

电机驱动系统是电动汽车的核心部分，其技术水平的高低直接影响着电动汽车的整车性能。驱动系统所选用的逆变器按照直流侧电源特性分为电压源型逆变器（Voltage Source Inverter, VSI）与电流源型逆变器（Current Source Inverter, CSI），VSI只能工作在直流电压恒定且高于交流侧电压峰值的场合，并且输入电流脉动大，需要加入死区防止出现桥臂直通。与VSI相比，CSI具有提升电压、功率因数可调、无需直通保护等优点。然而CSI存在一些自身缺陷而限制了它的发展和应用。

在PWM调制过程中，一共存在两种开关模式，即充磁模式和馈能模式，电流型PWM过程中，在每个开关周期内都是将储能电感电流视为恒流源处理，忽略了不同的开关模式对直流储能电感电流的作用效果。如果储能电感电流过大，造成此开关周期内的充磁模式占空比过高，导致储能电感长时间充电，使其电流继续增大，形成正反馈过程，最终损害功率器件。如果储能电感电流过小，则导致馈能模式占空比过大，出现电流断续情况。

基于以上原因，本文对CSI的拓扑结构作出改进，设计控制策略，实现对储能电感的最小控制。

论文所解决的问题及意义

在传统单相CSI拓扑结构基础上，增加了一个与储能电感并联的开关管及二极管，因此引入了一个新的开关模式：当开关管开通时，其他4个开关管同时关断，储能电感电流通过开关管续流，电容为负载提供能量，称此工作模式为续流模式。设定电流限定值，当储能电感电流大于此限定值时，采用续流模式代替充磁模式，抑制储能电感电流的增加，反之，采用之前的开关模式。基于此拓扑的控制策略能够在不增加开关次数的情况下实现对储能电感电流的控制，使直流侧接近于受控电流源的特性。

尽管本文提出的拓扑结构与控制策略能够实现对储能电感电流的控制，然而需要合理的对储能电感电流给定值进行计算，使其能够在满足交流测需求的前提下尽量取值最小，可以减小线路与开关损耗，提高输出电压的波形质量。在由充磁模式与馈能模式组成的任意开关周期内，确保充磁模式对电感的电流增加量大于馈能模式下电流的减小量，推导出储能电感

电流最小限定值的计算表达式，该限定值与输出电压的幅值、频率呈正相关，与直流输入电压呈负相关，可根据CSI参数以及期望的工作点，确定取值。

图1 改进单相电流型逆变器拓扑结构

论文方法及创新点

针对改进后的CSI拓扑结构，根据调制波与载波比较信号，输出电流极性信号，储能电感电流溢出信号，与开关输出信号的关系，推导每个开关器件的驱动逻辑图，使其在满足交流侧电流需求的前提下，实现对i_dc的控制。

图2 开关器件的驱动逻辑图

为了在两相旋转坐标系下实现对输出电压u_o的控制，通过构建一个u_o的虚轴交流分量，提出了一种直流分量数字化提取方法，单相CSI在dq轴系下的交流侧状态方程，通过前馈解耦以抵消耦合项的扰动作用。

图3  单相CSI动态实验波形

结论

1）在改进型单相CSI拓扑中引入续流开关模式，在调制过程中能够根据直流储能电感电流与指令值的大小关系，确定当前开关周期对续流模式和充磁模式的选择，实现储能电感电流的主动控制，解决了传统CSI逆变器储能电感电流断续或持续增加问题。

2）推导出储能电感电流最小限定值与元器件参数、输出电压幅值和频率之间的数学关系，仿真与实验结果均证明了该设计值在满足交流侧电流需求的前提下能够将储能电感电流维持在一个尽可能小的范围，有效提高电流利用率并降低损耗。

3）本文通过构建正交虚拟分量，在两相同步旋转坐标系下设计了单相CSI的控制系统，对输出电压的控制效果良好，无稳态误差，动态响应快，且输出电压与储能电感电流之间不存在耦合关系，能够独立控制。

引用本文

苗轶如, 刘和平, 王华斌, 等. 单相电流源型逆变器储能电感电流优化调制及控制策略[J]. 电工技术学报, 2018, 33(6): 1227-1237.

Miao Yiru, Liu Heping, Wang Huabin, et al. The modulation and control strategy of storage inductance current for single-phase current source inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(6): 1227-1237.

团队介绍

苗轶如  男，1988年生，博士研究生，研究方向为电流源型逆变器拓扑结构及其控制策略。发表EI论文9篇，参与国家重点实验室培育项目1项，重庆市科委项目1项。

刘和平 男，1957年生，教授，博士生导师，研究方向为电机本体设计、汽车电子以及电力传动及其控制技术。获国家教委科技进步二等奖1项，重庆市计算机应用成果二等奖1项，国家发明专利授权5项。发表论文60多篇。已经出版专著、译著和教材共计18部。

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