一種基于滑模控制的新型Boost正弦波逆變器

1　引言

逆變器是將直流變成交流的靜止變流裝置，我們把傳統的電壓源逆變器(VSI)稱為Buck逆變器，是指瞬時平均輸出電壓低于直流輸入電壓，電路如圖1所示。它已廣泛應用到交流電動機驅動和不間斷電源(UPS)系統中。因此，當需要輸出電壓高于輸入電壓時，必須在直流電源和逆變器之間加一個DC-DC變換器。如圖2所示，涉及到功率和電壓等級問題，這將導致逆變器體積增大、重量增加、價格升高和效率降低。

本文討論一種新的電壓源逆變器，稱為Boost逆變器，它由兩組對稱boost電路組成，將產生一個比直流輸入電壓高的交流輸出電壓，并采用滑模控制策略，利用它對系統參變量的擾動和負載的變化都具有不敏感性，使系統具有良好的動態和穩態響應，從而獲得平滑的正弦波輸出電壓。

2　新型逆變器的工作原理

本文討論的正弦波逆變器基本電路如圖3所示,它是由兩個boost DC-DC變換器組成,通過滑模控制,使每個DC-DC變換器各產生一個有相同直流偏置的單極性正弦波輸出電壓,而且兩個輸出電壓在相位上相差180°。由于負載跨接在兩個DC-DC變換器之間，所以，每個逆變器流過雙向電流，對于其中一個DC-DC變換器，如圖4所示。

根據參考文獻[1]對boost電路的分析，用平均值的概念，我們可得到連續導通模式下的電壓關系式

(1)

這里D是占空比。

由于兩個DC-DC變換器相差180°，則可得到另一個DC-DC變換器輸出電壓的關系式：

根據式⑷可獲得如圖5關系特性曲線圖，從圖中可見D=0.5時,輸出電壓特性為零,如果占空比圍繞這個點變化,在輸出端可獲得正弦波電壓。

圖5　 boost逆變器輸出特性

3. 滑模控制器的設計

滑模變結構控制理論產生于五十年代，歷經四十余年已發展成為一種完備的自動控制系統設計方法。它實質上是一種高頻開關控制的狀態反饋系統，由于滑模控制方案具有穩定性好、魯棒性強和良好的動態性能以及控制容易實現等優點?；？刂凭褪抢酶咚偾袚Q的開關控制，把受控非線性系統的狀態軌跡引向一預先指定的狀態平均空間平面(滑模面)上，隨后系統的狀態軌跡就限定在這個平面上，因此，一個滑?？刂葡到y的設計為兩個方面：首先是尋求滑模面函數，使控制系統在滑模面上的運動漸趨穩定且品質良好;其次是設計變結構控制，使系統可由相空間的任一點于有限時間內到達滑模面，從而在滑模面上形成滑?？刂茀^。

由于本逆變器由兩組對稱boost DC-DC電路組成，并具有獨立性。下面僅對一個雙向DC-DC變換器(圖4所示)的控制進行分析，控制框圖如圖5所示。工作過程如圖6所示，當開關S1閉合時S2打開，iL1線性增加，二極管處于反向偏置，電容C1通過負載放電，V1電壓降低;當S1打開時S2閉合，iL1流過電容C1和輸出端，iL1減少而電容C1充電。

由變量iL1和V1表示的等效狀態空間模型電路如下：

式中Υ開關狀態， 狀態變量誤差。定義Υ為

(7)

為獲得較好的輸出電壓瞬態響應，以狀態變量偏差(根據參考變量的差定義)的線性組合來表示狀態空間的滑動平面方程由(5)式給出

S(iL1,V1)=k1ε1+k2ε2=0　　　　　　　(8)

這里系數k1和k2是增益,ε1是輸出電壓偏差,ε2是輸出電流偏差,可表示為式(6)、式(7)：

ε1=i1-iLref　　　　　　　　　　　　(9)

ε2=V1-Vref　　　　　　　　　　　　 (10)

S(iL1,V1)=k1(i1-iLref)+k2(V1-Vref) (11)

信號S(x)通過一個滯環比較器產生開關管的控制信號，通過閉環控制，使得變量S(x)根據變結構理論，變換器方程可改寫為：

式中x為狀態變量誤差，

把(13)代入(11)中，可得如下等式：