学术︱储能电感电流限定单周期控制单相电流型PWM逆变器研究

福州大学电力电子与电力传动研究所的研究人员陈亦文、邱琰辉等，在2015年第14期《电工技术学报》上撰文，为了克服传统单相电流型PWM逆变器存在的储能电感及其电流大、输出电压波形畸变严重的固有缺陷，提出了一种具有储能电感电流限定的单周期非线性控制单相电流型PWM逆变器，储能电感电流在高于和低于限定值两种情况时逆变器分别工作在续流方式和Boost方式。

深入分析研究了这种逆变器一个低频输出周期内的八种电路模式、开关状态方程和高频开关工作过程等稳态原理特性，推导出了电压传输比、储能电感电流限定值、储能电感、输入和输出滤波器、功率开关电压和电流应力等主要参数的设计准则。设计并研制成功的1kVA 110VDC/220V50Hz逆变器样机具有单级升压变换、变换效率高、输出波形质量高、储能电感小等优点，证实了所提出研究方案和理论分析的正确性，有效地克服了传统单相电流型PWM逆变器的固有缺陷。

电压型变换器具有降压特性、输入电流纹波大、负载短路时可靠性低、输出容量大等特点；反激型变换器具有升降压特性、负载短路时可靠性高、输入电流纹波大、输出容量小等特点；电流型变换器具有升压特性、输入电流纹波小、负载短路时可靠性高、输出容量大等特点[1]。

电压型和反激型变换器输入电流脉动大，其高次谐波电流不但会以传导和辐射的方式干扰周围电子设备，而且会产生畸变功率、降低变换效率；电流型变换器的储能电感位于输入侧，输入电流脉动小、对电源产生的电磁干扰小，输入侧电流易于控制。因此，电流型变换器在要求输入电流纹波小、单级升压大容量电能变换场合具有重要的应用价值。

人们对电流型DC-DC、AC-DC、AC-AC变换器和三相电流型DC-AC的研究，已取得了显著的成果[2-8]，而对单相电流型DC-AC变换器的研究仍处于积极探索之中[9-13]。其原因是输出电压低于输入电压期间储能电感无法去磁，并且存在储能电感电流急剧上升、输出波形严重畸变和储能电感取值过大等固有缺陷。

对此，人们提出了多种解决方案。文献[9-10]提出了差动电流直流变换器型逆变器拓扑，为实现电流型逆变功能开辟了一条有效途径，但始终处于同时工作的两个双向电流型直流变换器之间的环流使逆变器难以获得理想的变换效率；

文献[11]提出了具有高频电气隔离反激式变换器能量回馈电路的全桥电流型高频环节逆变器，能解决其固有缺陷，但未提供实验结果；

文献[12]提出了一种无源性控制策略，通过直接控制储能电感电流跟踪参考值来间接控制输出波形，一定程度上改善了输出波形，但未解决储能电感值大的问题，且未给出变换效率；

文献[13]在传统电路的输入电源与储能电感之间串联一个并联谐振器，采用含比例谐振的输出电压、电流反馈控制策略，较好地解决了输出波形畸变和输入低频纹波问题，但并联谐振器中的谐振电感值高达5mH和10mH、储能电感值为5mH，且未给出变换效率。

为了克服传统电流型逆变器的固有缺陷，本文提出并深入研究了一种具有储能电感电流限定的单周期非线性控制单相电流型PWM逆变器，获得了重要结论。

结论

设计并研制的样机测试结果证实了所提出研究方案和理论分析的正确性，其主要性能指标比传统单相电流型PWM逆变器优越，故可获得以下结论：

（1）所提出的具有储能电感电流限定的单周期非线性控制单相电流型PWM逆变器，实现了储能电感电流的主动控制，即储能电感电流高于和低于限定值时逆变器分别工作在续流方式和Boost方式，有效地解决了这种逆变器存在的储能电感值大、输出波形畸变严重等固有缺陷，提高了变换效率；

（2）所提出的逆变器在一个低频输出周期内，存在输出电压正、负半周分别对应储能电感电流iL上升的模式A、E，iL下降的模式B、F，iL高频脉动的模式C、G，iL快速上升的模式D、H等共八种电路模式，顺序为A-B-C-A-D-E-F-G-E-H；

（3）获得了储能电感电流限定值、储能电感、输入和输出滤波器、功率开关应力等关键参数的设计准则，其中储能电感电流限定值是在保证iL连续的情况下以它的最小值来设置的。