单周控制原理及其应用

0 引言

20 世纪90 年代初，美国加州理工学院的K.M.Smedley 博士提出一种大信号非线性控制理论方法———单周控制理论(One Cycle Control)，它是在开关放大器的PWM控制基础上发展起来的。

其突出优点是无论在稳态还是在暂态情况下，都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于控制参考信号，即能在一个周期内，有效地抵制电源侧的扰动，既没有静态误差也没有动态误差，动态响应快速，对输入扰动抑制能力强。开关变换器是脉冲式的非线性动态系统，大多数采取的控制方案是首先通过线性化控制方程逼近这个非线性动态系统，然后再采用线性反馈技术进行控制。这种方法限制了开关非线性系统的功能。而单周控制没有这种限制，因而得到了学术界的广泛认可，也成为了学者们研究的热点。

单周控制与其它现有PWM控制方法相比，结构简单、响应速度快、稳定性好，可适应高精度、高速度和高抗干扰的控制要求。单周控制已在DC-DC变换器、功率因数校正、有源电力滤波器、逆变器、开关功率放大器、不间断电源、交流稳压电源、静止无功发生器以及功率放大和光伏电源最大功率点跟踪控制等方面得到大量应用。在国外，己有公司开始致力于将单周控制模块化并投入到商业运营。

1 单周控制原理

将单周控制的基本原理应用于各种电流控制上，就可以得到电荷控制(Charge Control)，准电荷控制(Quasi-Charge Control)，非线性载波控制(Nonlinear Carrier Control)和输入电流整形技术(Input Current Control)等新型控制技术。从形式上看电荷控制是电流型的单周期控制，其控制思想是控制开关的电流量，使之在一个周期内达到期望值。准电荷控制也是一种电流型的单周控制。

准电荷控制是在电荷控制的基础上，用RC 网络代替电荷控制时电路中的C 网络。非线性载波控制的控制电流可为开关电流、二极管电流或电感电流，从电路的拓扑结构上讲非线性载波控制技术是在电荷控制的基础上增加了一个外加的非线性补偿，提高了系统的稳定性。在非线性载波控制中当电路工作在电流连续状态下，系统就是稳定的，而电路工作在断续状态下，系统是小信号稳定的;另外非线性载波控制工作在断续条件下会产生输入电流的畸变。输入电流整形技术用于检测二极管上的电流，从形式上说是一种类似于非线性载波控制的控制方案，从控制的实质上讲它是平均电流控制的一种反用。

2 单周控制在电力电子领域中的应用

2.1 单周控制在DC-DC变换器的应用

DC-DC变换器将输入的直流电压，经高频斩波或高频逆变后，再经整流和滤波环节，转换成所需幅值的直流电压。因DC- DC 变换器非线性强，所以建立模型相当困难，故采用经典控制法———电压型控制技术和电流型控制技术难以达到控制要求。电压型控制技术是当输入电源电压、负载、功率电路元器件参数变化时，只有等到输出电压变化后，反馈环路才能起到调节输出电压的作用，动态响应速度慢;为了降低系统的静态误差、功率电路的大时间常数和控制信号的传递延迟对系统动态响应速度的影响，必须采用高增益、宽频带的运放，从而导致系统的稳定性变差，即系统的静态性能、快速性与稳定性之间存在矛盾。而电流型控制技术不能承受持续的短路，由于在短路输出时，误差放大器已失去了作用，使电路工作于最大占空比，增大了输入功率;同时变换器的电路损耗剧增，这是因为功率开关管的关断仅受流过开关管上的峰值电流脉冲控制。

单周控制技术应用于DC- DC变换器，具有很强的抗输入电压干扰能力，对短路有保护功能，可以承受持续的短路;并且很好地解决了系统的静态性能、快速性与稳定性之间的矛盾。单周期控制技术应用于DC-DC 变换器，其不足主要在于对开关误差的校正能力有限，系统存在一定的稳态误差，系统的负载动态响应速度较慢，过冲严重。

通过一定的策略可对输入电压和负载电流扰动进行抑制，但不能实现变换器的最优动态响应。目前只是对单周期控制的半桥式DC-DC 变换器进行了理论分析和系统仿真。

2.2 单周控制在功率因数校正中的应用

功率因数校正(PFC)技术是抑制AC 输入电流发生波形畸变的主要方法，其使整流二极管的导通角趋于180毅，产生与AC 电压同相位的AC 输入正弦波电流，致使系统功率因数十分接近于1。

PFC 的控制策略按照输入电感电流是否连续，分为不连续导通模式(DCM)和连续导通模式(CCM)。DCM 控制又称电压跟踪方法，它是PFC中简单而实用的一种控制方式，应用较为广泛。

DCM 控制尽管简单，但由于器件承受较大的开关应力，所以只能应用在小功率范围。CCM 模式下有直接电流控制与间接电流控制两种方式。直接电流控制的优点是电流瞬态特性好，自身具有过流保护能力，但需要检测瞬态电流，控制电路复杂。间接电流控制的优点是结构简单、无需电流传感,缺点是稳态性很差，动态响应慢，动态过程中存在直流电流偏移和很大的电流过冲。

单周控制PFC 把开关变量作为输入电流，控制参考量作为输入电压，这样使输入电流在单个周期内能跟随输入电压变化，采样电流也随电压信号变化。从而实现功率因数校正目的，功率因数非常接近于1。采用单周控制可以简化控制电路的设计，不需要使用乘法器，不用检测输入电压，使系统更易实现，并且降低了设备的经济成本。

PFC 是单周控制应用较成熟的领域之一，在单相和三相功率电路中都得到成功的应用，并取得很好的效果。功率已做到了500 W，频率最大已做到100 kHz。

2.3 单周控制在有源电力滤波器中的应用

有源电力滤波器(Active Power Filter, APF)作为一种用于动态抑制谐波和补偿无功功率的新型电力电子装置，可对大小和频率都变化的谐波分量和无功功率进行补偿。其补偿性主要取决于对畸变电流的实时准确检测和逆变器输出电流的控制策略。单周控制有源滤波器(UCI-APF)是谐波补偿的新方向，与常用的APF相比，UCI-APF 控制方法具有简便、采样通道少、电路成本低、检测量少、控制器结构简单以及鲁棒性强等优点，可调节功率因数接近1，故在中小功率场合有推广价值。但经典的UCI-APF对电路参数的依赖性非常大，当控制电路积分参数出现偏差或浮动时，主电路上的进线电流将引入直流分量，这严重阻碍其推广应用。

单周控制有源滤波器的控制目标是消除谐波并调节功率因数接近1，因此当有源滤波器有效工作时，网侧电流波形跟踪电压波形，整个系统能够等效为线性负载(等效阻抗为Re)，即

由上面分析可见，控制方程可由单周控制的方式实现，但要求积分速度非常精确。单周控制是一种非线性的占空比调制方式，其目的是在一个