论著载波反相三角波比较电流跟踪ＰＷＭ控制法王心琦张代润（四川大学电气信息学院，四川成都６１００６５）摘要：本文提出了一种新的电流跟踪ＰＷＭ控制法，即载波反相三角波比较电流跟踪ＰＷＭ控制法（ＣＲ－ＰＷＭ），详细解释了ＣＲ－ＰＷＭ控制法的工作原理，并通过与传统三角波比较法及滞环控制法的比较，显示出ＣＲ－ＰＷＭ控制法的优点。通过明了ＣＲ－ＰＷＭ控制法能消除制约当前电流控制型逆变器发展的瓶颈。关键词：ＰＷＭ；载波；电流控制；电压控制Carrier-reversedCurrenttrackingPWMControlWANGXin-qi,ZHANGDai-run(SichuanUniversitySchoolofElectricalEngineeringandInformation,ChengduSichuan610065,China)Abstract:Inthispaper,anewtrackingPWMcurrentcontrolmethodisproposed,thatis,reversed-phasetriangularwavecarriercomparisonPWMcurrentcontrolmethod(CR-PWM).ExplainedtheoperatingprincipleoftheCR-PWMcontrolmethodindetail.ShowedtheadvantagesofCR-PWMcontrol,throughcomparisonwiththetraditionaltriangularwavemethodandthehysteresiscontrolmethod.ProvedthatCR-PWMcontrolmethodsolvedtheconstraintsinthedevelopmentofcurrentcontrolinvertersbysimulations.Keywords:PWM;Carrier;Currentcontrol;Voltagecontrol控制逆变器输出电压或电流的脉冲宽度调制（ＰＷＭ）技术的基本原理很早就已经提出，上世界８０年代随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，ＰＷＭ控制技术得到广泛应用。到目前为止，已出现了多种ＰＷＭ控制技术。ＰＷＭ调制将电压控制和频率控制集中在逆变器上同时完成，可实现逆变器输出电压与频率的同时调节，系统简单，动态响应好。目前ＰＷＭ技术分为两大类，电压控制型ＰＷＭ技术和电流控制型ＰＷＭ技术。电压控制ＰＷＭ控制技术中以正弦脉冲宽度调制（ＳＰＷＭ）技术最成熟、使用最广泛。用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的ＰＷＭ波形即ＳＰＷＭ波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，这样逆变器输出电压的基波就为正弦波形。通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。根据不同的主电路又衍生出了相应不同的ＳＰＷＭ控制技术。如二极管钳位式多电平逆变器使用的载波层叠ＳＰＷＭ法（ＣＤ－ＳＰＷＭ），级联式多电平逆变器使用的载波移相ＳＰＷＭ法（ＣＰＳ－ＳＰＷＭ）以及可以与ＣＤ－ＳＰＷＭ法及ＣＰＳ－ＳＰＷＭ法结合使用的消除特定谐波的ＰＷＭ法（ＳＰＯ－ＳＰＷＭ）［２］。电流控制ＰＷＭ法有滞环比较法、三角波比较法、预测电流控制法等等。滞环比较法动态性能好，输出电压不含特定频率的谐波分量。其缺点是开关频率不固定造成较为严重的噪音，和其他方法相比，在同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多。三角波比较法开关频率一定，因而克服了滞环比较法频率不固定的缺点。但是，这种方式电流收稿日期：２００９－０３－０６修回日期：２００９－０４－１２作者简介：王心琦，男，硕士，研究方向为电力电子与电力传动。［１］响应不如滞环比较法快。预测电流控制法若给调节器除误差外更多的信息，则可获得比较快速、准确的响应。目前，这类调节器的局限性是响应速度及过程模型系数参数的准确性［３］。电压控制ＰＷＭ技术以控制输出电压来间接控制输出电流，可以在较低的开关频率下使输出电流的谐波很少。并且由于有可以使用在多电平逆变器中的ＣＤ－ＳＰＷＭ控制法和ＣＰＳ－ＳＰＷＭ控制法，电压控制ＰＷＭ技术可以应用在大容量的输出的逆变器中。综合各方面考虑，使用电压控制ＰＷＭ技术的逆变器性价比是最高的。但是电压控制型逆变器的最大弱点为动态响应速度比电流控制型逆变器的响应速度慢很多，严重时会造成系统不稳定［４］。电流控制ＰＷＭ技术近年来没有得到很大的发展和广泛的应用，最大的瓶颈有两个。一是电流控制ＰＷＭ技术要得到谐波含量较少的输出电流需要比电压控制ＰＷＭ技术更高的开关频率，这里谐波含量较少指达到国内标准，总谐波畸变率（ＴＨＤ）在５％以下；二是输出容量小，使用电流控制ＰＷＭ技术的逆变器中，能用来增加输出功率的逆变器主电路拓扑结构太少，有人提出过用多个逆变器并联的方法来提高使用电流控制型逆变器的容量，但逆变器的并联运行要求所有逆变器的输出电压相同，并且要解决各逆变器之间的均流问题。这是一个很复杂的问题，解决并联均流问题需要增加新的硬件设备，并增加控制方法的复杂性。开关器件的功率处理能力和开关频率之间往往存在着矛盾，通常功率越大开关频率越低［６］，因此这两大瓶颈又互为矛盾。当需要增加输出容量时就不得不降低开关频率，降低开关频率［５］张代润，男，教授，研究方向为电能质量控制技术，非线性电路功率理论及其应用。05中国西部科技２００９年４月（下旬）第０８卷第１２期总第１７３期桥１和逆变桥２两个负向电压相加的电压－１００Ｖ。在很短的一段时间以后，逆变桥２的载波从上往下与差值相交，载波小于差值，逆变桥２输出正向的电压，使输出电压为０，输出电流停止变化。直到下一个载波周期逆变桥１和逆变桥２又产生下一个脉冲电压。一个载波周期内，逆变桥１和逆变桥２产生的很短的那一个负电压脉冲，使输出电流从大于参考电流变成小于参考电流，但是由于脉冲很短，输出电流不会小于参考电流太多。在载波周期的大部分时间内，输出电流都保持在离参考电流很接近的一个值并且不会变化，有效地避免了载波频率较低情况下单个逆变桥三角波电流比较法中每个载波周期内输出电流偏离参考电流较多的问题。由图４（ｅ）和（ｆ）可以看出，当输出电流偏离参考电流比较多时，输出电压的脉冲也会变宽。输出电压为三电平。并且可以很清楚地看到，输出电流偏离参考电流的值基本在０．０５Ａ（０．１％）左右。又会使输出电流中的谐波增加。本文将提出一种新的电流控制ＰＷＭ技术，载波反相三角波比较电流跟踪ＰＷＭ控制法（Ｃａｒｒｉｅｒ－ＲｅｖｅｒｓｅｄＰＷＭ），简称ＣＲ－ＰＷＭ法。该方法可以视为三角波比较法的一种衍生，使用在具有偶数个Ｈ逆变桥的级联多电平逆变器中。ＣＲ－ＰＷＭ控制法可以在较低的开关频率下获得谐波畸变很小的输出电流，并且可以利用级联多电平逆变器的主电路结构增加逆变器输出容量而不产生新的控制问题。由于该控制方法从本质上讲属于电流控制ＰＷＭ法，因此其具有电流控制型逆变器的普遍优点——动态响应速度快。该方法解决了电流控制ＰＷＭ技术发展的两大瓶颈，具有很大的研究价值和应用前景。本文使用ＭＡＴＬＡＢ中的ｓｉｍｕｌｉｎｋ搭建仿真模型，并对比ＣＲ－ＰＷＭ法与其他几种ＰＷＭ控制方法的差异。１载波反相三角波比较电流跟踪ＰＷＭ控制法先用一个由２个Ｈ桥组成的级联三电平的逆变器来解释ＣＲ－ＰＷＭ法的基本原理。其主电路拓扑如图１所示，两个Ｈ逆变桥的直流侧均为５０Ｖ的直流电源，为了方便分析负载只是一个２ｍＨ的电感。载波频率为１０ｋＨｚ。图２为逆变桥１、逆变桥２的驱动电路，逆变桥１与逆变桥２的三角波相差１８０度。因为两个逆变桥的三角载波相位相反（相差１８０度），因此这种控制法称为载波反相三角波比较电流跟踪ＰＷＭ控制法。图３ＣＲ－ＰＷＭ法输出电流图１采用ＣＲ－ＰＷＭ法的主电路结构图２逆变桥１、逆变桥２驱动电路让负载电流ＩＬ跟踪一个５０Ａ的参考直流电流。０～０．２秒的输出电流如图３所示。从图３可见，其跟踪速度很快，大概在０．００２秒达到稳定，达到稳定以后纹波也很小。图４为输出电流达到稳态后的一段详细放大分析图。图４（ｆ）为图１的输出电流，图４（ｅ）为图１的输出电压。图４（ａ）为逆变桥１输出电流与参考电流的差值与三角载波的比较图，图４（ｂ）为逆变桥２输出电流与参考电流的差值与三角载波的比较图，图４（ｃ）为逆变桥１左桥臂上开关管的驱动脉冲，图３（ｄ）为逆变桥２左桥臂上开关管的驱动脉冲。从图中可以看出，在４×１０秒时，输出电流大于参考电流，输出电流与参考电流差值为负。因为逆变桥１的载波与逆变桥２的载波相差１８０度，所以逆变桥１的载波从下往上与差值相交，而逆变桥２的载波从上往下与差值相交，此时必然是逆变桥１的载波先与差值相交，相交后因为载波大于差值，逆变桥１输出一个负向的电压，且此时逆变桥３的前一个负向电压还未结束，因此，输出电压就为逆变－３图４稳态时的输出电流、输出电压及驱动过程06论２ＣＲ－ＰＷＭ控制法与滞环控制法、传统三角波比较法的比较ＣＲ－ＰＷＭ控制法采用与节１中相同的主电路，滞环控制著法、传统三角波比较法采用如图５所示的主电路结构，其直流侧为一个１００Ｖ的直流电源，负载仍为２ｍＨ的电感。三角波比较法仍然采用１０ｋＨｚ的载波频率，滞环控制法的滞环值为０．０５Ａ。图６为三种控制方法的输出电流，在相同的载波频率下，传统三角波比较法输出电流偏离参考电流１Ａ以上，而ＣＰ－ＰＷＭ法输出电流偏离参考电流只有０．０５Ａ。滞环控制法的滞环值虽为０．０５Ａ但是实际上其输出电流偏离参考电流达到了０．１Ａ，并且其等效开关频率为１２５ｋＨｚ。ＣＲ－ＰＷＭ在较低的开关频率下仍然可以使输出电流偏离参考电流的值很小。图８Ｅ１为５０Ｖ，Ｅ２为４０Ｖ（相差２０％）时的输出电流可见在Ｅ１和Ｅ２不相等时，对输出电流造成一定的影响，但相对于传统三角波比较控制，其输出电流还是要好得多。因此在实际运行时可以根据需要，Ｅ１与Ｅ２的差值，或采取措施使Ｅ１和Ｅ２尽量相等。４跟踪正弦波逆变器输出的最终还是需要正弦交流电流，前面用输出直流电流来分析只是为了便于理解。参考电流波形为峰峰值２０Ａ，频率为５０Ｈｚ的交流电流。用第１节和第２节中的图５滞环控制法、传统三角波比较法主电路结构ＣＲ－ＰＷＭ控制、传统三角波比较控制和滞环控制，分别仿真输出电流波形如图９所示。ＣＲ－ＰＷＭ控制、传统三角波比较控制载波频率仍为１０ｋＨｚ，滞环控制的滞环值仍为０．０５。图６三种控制法输出电流３当直流侧电压不相等时的影响图１中逆变桥１直流侧的电源Ｅ１与逆变桥２直流侧的电源图９三种控制方法输出电流Ｅ２在实际运行中因为电路参数变化等原因常常不会是完全相等的，这里就来研究一下当Ｅ１和Ｅ２不相等时会对输出电流有多大的影响。图７为Ｅ１为５０Ｖ，Ｅ２为４５Ｖ（相差１０％）时的输出电流，达到稳态其后最大值与最小值差值在０．２Ｖ左右，Ｅ１和Ｅ２相等时输出电流达到稳态其后最大值与最小值差值在０．１Ｖ左右，为相等时的２倍。图１０三种控制方法输出电流傅里叶分析图７Ｅ１为５０Ｖ，Ｅ２为４５Ｖ（相差１０％）时的输出电流图１０为三种控制方法输出电流的傅里叶分析，横坐标为谐波频率，纵坐标为该频率的谐波与基波幅值的百分比。传统三角波比较控制法的谐波畸变率（ＴＨＤ）为５．０５％，滞环控制法的ＴＨＤ为０．３７％，ＣＲ－ＰＷＭ控制法的ＴＨＤ为０．５１％。但需要注意的是滞环控制法的平均开关频率为１２５ｋＨｚ，远远高于其他两种控制方法，其较低的ＴＨＤ是通过（下转第１３页）07图８为Ｅ１为５０Ｖ，Ｅ２为４０Ｖ（相差２０％）时的输出电流，达到稳态其后最大值与最小值差值在０．４Ｖ左右，Ｅ１和Ｅ２相等时输出电流达到稳态其后最大值与最小值差值在０．１Ｖ左右，为相等时的４倍。论故障地点处的摄像机监视画面显示在相应的彩色监视器、大屏幕投影屏或工作站显示器上，并提供控制方案，执行交通诱导和疏散。著交通量，提出了宁千高速公路的控制策略，为今后监控系统的设计提供了依据。（２）对于宁宣杭高速公路宁国至千秋关段的预测交通流应根据实测交通流数据，确定参数，综合考虑客观条件和模型的精度，建立适合该路段的交通流模型。（３）该路段的复杂地形区域，对具体的交通状况，应通过实际交通状况检测的交通参数，再加上人工巡视来检测事故，这样才能兼顾既要准确预报事故，又要防止误报，提高事故预测的准确性。不但能对事故发生与否及具体在何处做出判断，而且能预报出事故的严重性。参考文献：［１］翁小雄．高速公路机电系统［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２０００．［２］陈 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