单周控制原理及其应用

单周控制有源滤波器的缺点是以峰值电流检测和比较的方法产生占空比信号，采用一个比较器，在整个正弦波周期内都是开关导通期间电流上升，开关关断期间电流下降，所以存在电流纹波。由于电流的峰值和输入电压波形一致，纹波的存在将使平均电流低于标准正弦波电流，从而产生电流直流分量。人们也想了很多改进的单周控制方法抑制直流分量，比如单极调制技术等。

APF 是单周控制应用较成熟的领域之一，目前分为单周控制单相和三相APF，由于不需要检测负载电流、不需要计算负载电流的谐波和无功分量、不需要乘法器和电压传感器，从而简化了APF的工作原理和结构，因此控制结构更加简单，可靠性更高，鲁棒性更好。

2.4 单周控制在逆变器中的应用

单周控制技术应用于电压型逆变电路中，给负载提供所需要的交流电压源。根据单周控制原理，用两个积分器交互工作解决了积分器的复位问题;再用增加直流偏移量解决实际电路中遇到的电压测量问题。对于逆变电路而言，提高直流电压利用率可以提高逆变器的输出能力，减少逆变器开关的动作次数，就能减少开关损耗。采用双积分器单周控制的电压型逆变电源，其逆变电路硬件结构简单，输出电压幅值和频率可调，具有快速的动态响应。实验证明单周控制技术是一种较理想的变频器控制技术。该技术直流电压利用率高，提高了系统的效率;开关器件工作在定频率下，降低了谐波损耗，节约了能源;有较强的抗电源扰动能力，使得输出电压不受直流电压波动的影响;系统的响应快;系统硬件电路结构简单，易于实现，可广泛用于各类逆变电源，如车载、船载电源等。

但目前单周控制应用于逆变器还不成熟，只是对双管正激式直流变换器型高频环节DC-AC 逆变器、正反激组合式双向功率流高频环节DC-AC 逆变器进行仿真，研制了一台电压型逆变电源样机，电压幅值范围可以是0 耀232 V，频率范围是0耀100 Hz，输出波形质量高，THD 均在0. 8%以下，最小达到了0. 2559%。

2.5 单周控制在开关功率放大器中的应用

开关功率放大器(Switching Power Amplifier)具有效率高、体积小的特点，同时随着功率器件水平和电力电子技术的不断发展，保真度也得到很大改善，因此在各个领域的应用和研究发展迅速。

开关功率放大器的控制方式是影响其性能的关键因素之一。单周控制是一种大信号非线性PWM 调制方案，克服了开关变换器的非线性特性，对大信号放大时畸变较小;单周控制动态响应快，系统带宽仅取决于输出低通滤波器，从而易确定音频带宽;单周控制可同时处理信号和功率，可自动抑制电源纹波，故不需高精度直流电源，事实上，一经整流的不可控电源加上一小电容就可用作开关音频功率放大的直流电源，从而进一步降低了功率损耗、装置的复杂性、大小及成木。实际工作中，单周控制开关变换器的复位脉冲不可能理想，会使输出端产生直流偏置，分析表明，直流偏置的大小与复位脉冲的宽度成正比变化。针对单周控制的开关功率放大输出直流偏置问题，提出了一种在比较器的同相输入端引入补偿电压的解决方案，给出了补偿电压的具体计算公式。补偿前、后开关放大器仿真和实验研究的结果表明，补偿后的单周控制开关功率放大器性能优良，有效地解决了补偿前的输出直流偏置问题。

单周控制的开关功率放大器虽然具有很多优点，但由于其提出的时间还不长，还存在许多需要解决的问题。单周控制的开关功率放大器目前还没有实现大功率的应用;同时，输出端存在的直流偏置问题需要很好的研究和解决。

2.6 单周控制在不间断电源器中的应用

不间断电源(UPS)不仅是不停电，能让机器开机，还要保护数据的安全性。事实上，任何信息产品，最终都要保证数据在处理、存储和传输的全过程中做到高速、准确、安全。

单周控制的UPS 可分别用双极性模式和单极性模式两种方式实现，采用双极性模式的UPS 控制电路简单，主要由复位积分器、一个比较器、触发器及时钟组成，但在负载较轻时易出现直流偏移;单极性操作模式的UPS 虽然需要较为复杂的电路来解决输出电压过零点误差问题，但逆变器电源部分只有2 个开关工作在较高的开关频率，其它2 个工作在工频，因此可减小开关损耗，提高开关效率，在正、负半周工作在对称情况下，消除了直流偏移。单极性操作模式输出为正、负、零3个等级的电压信号，可有效降低PWM 波形的低次谐波和电磁干扰，减小输出滤波器的体积。在两种模式下，单周控制的UPS 工作频率恒定、动态响应速度快，在负载电压变化和输入电压畸变时都表现出很强的鲁棒性，输出电压畸变较小。目前对单周控制UPS的研究较少，只处在理论分析和探索中。

2.7 单周控制在静止无功发生器中的应用

静止无功发生器简称SVG(Static Var Generator)，也是一种电力电子补偿装置。与静止无功补偿装置(SVC)不同的是，SVG 通过发出无功功率达到无功补偿的目的，不需要大容量的电抗器、电容器等储能元件，一般指的是自换相电力半导体桥式变流器型动态无功补偿装置。

单周期控制的静止无功发生器主要研究内容是在对应用单周期控制的静止无功发生器建立数学模型的基础上，分析直流侧电压波动和两电容电压不平衡的原因，结合单周期控制法提出了一种有效、简单的解决办法。该方法的进展现在处于系统的仿真阶段。

2.8 单周控制在交流稳压电源中的应用

在交流稳压电源(AC Stabilizer)中，补偿式电源有其比较突出的优点。由于补偿式电源所采用的电力变换器的容量按照补偿功率选取，容量要比电源的额定值小很多，所以与其他类型的稳压电源相比，有更好的经济效益和体积小、重量轻的优点。现有的补偿式交流稳压电源补偿电压的调节方式有下列三种：

1)采用多抽头变压器，用双向晶闸管调节补偿电压，补偿电压有级差。

2)通过机电式机构调节自耦变压器的触头来调节补偿电压，动态响应速度慢。

3)采用交流斩控技术来调节补偿电压，但是由于交流斩控电路的输出电压始终和输入电压保持同向，为使其应用于补偿式结构中，则必须附加电压极性变换电路。电压极性变换电路一般采用双向晶闸管，因采用过零触发，其动态响应时间不可能很快。而且采用的电压、电流相位检测的非互补控制方式过于复杂。

单周控制稳压电源具有两大特点：可以四象限运行，适用于感性、容性等各种负载;具有单周期控制的特点，抗输入扰动性强，并且能够快速跟踪给定。

将单周期控制技术引入交流稳压电源，快速抑制了输入侧的扰动，电源的输出不受输入的影响，使得系统具有快速的动态响应。采用交流斩波串联补偿方式，可以保持能量的双向通路，负载适应性强，并且使得单周期控制方式便于实现。目前己经通过了5 kW的试验样机测试。

2.9 单周控制在光伏电源最大功率点跟踪控制中的应用

单周控制的光伏电源最大功率点跟踪控制法，在一个周期内，最大功率点跟踪控制器可根据日照水平将光伏电源系统的工作点自动调节到最大输出功率点，同时向电网注入单周功率因数的正弦电流。系统避免了传统光伏电源的两级功率转换(一级控制直流/直流变换器跟踪最大功率点，一级直流/交流变换器提供和电网电压同相的正弦电流)，用一单级功率电路和一单周控制器相结合实现两项功能：最大功率点跟踪和直流/交流转换。该控制器结构简单，在理论分析和试验校正得到电路参数后，系统稳定收敛在最大功率点，转换效率可达95.6豫，在电网电压THD为5.215豫的情况下电源电流THD 仅为5.769豫，达到较高控制精度和稳定度。这种方法极大地简化了装置的复杂性，降低了成木，增加了光伏电源商业化的可能性，也为可再生能源的能量注入电网提供了一种简单、易行、高效的转换方案。

3 结论

以上介绍和分析了单周控制理论的原理和现状及其在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、静止无功发生器以及交流稳压电源和光伏电源最大功率点跟踪控制中的应用情况。

3.1 单周控制的优点

1)单周控制使开关变量在一个开关周期中精确地跟随参考信号，动态响应速度快，抗电源扰动能力强。

2)单周控制能有效地消除电源纹波干扰，也可以消除大部分的谐波成分，大大减少输出谐波含量，不需要高精度的直流电源，有利于简化系统结构，降低成木。

3)单周控制自动地校正功率开关的暂态误差和导通误差，输出没有交越失真，能得到很高的线性度。

4)控制电路简单，不需要加法器、乘法器等复杂元器件;不需产生参考信号，也不需要过多的电压传感器。

3.2 单周控制的缺点

1)单周控制技术对负载扰动抑制能力差，负载动态响应慢，通过检测每个开关周期的电感电压平均值，并引入积分器来改善系统动态响应，存在不能实现最优动态响应的问题。

2)控制器对开关误差校正能力有限，系统存在稳态误差。

3)当变换器因负载扰动从电感电流连续模式进入不连续模式时，系统会出现不稳定，如果将输入电压误差引入积分器，负载扰动抑制会有所改善，但负载扰动信号是基于输出电压误差，不能实现最优动态响应。

3.3 需进一步研究问题

1)单周控制是一种新的非线性控制理论，它在理论与实践中还有待进一步研究和讨论。如单周控制器输出电流直流分量、开关误差校正能力、负载扰动抑制等，虽采取了一些克服办法，也提出了不少改进模型，但仍缺乏完全克服缺陷的理想办法，需进行深入研究，建立一套完整的理论体系。

2)加强单周控制系统建模的准确性。因模型是单周控制的基础，建立在较精确模型上的单周控制势必使其系统的输出更准确，从而得到更为有效的控制。

3)单周控制本身的特点使现存算法中主要设计参数与系统的稳定性、动静态特性和鲁棒性间定量的解析表达式难以得到，故关于稳定性和鲁棒性的定量研究与分析还远远不够，这将是今后研究的一个重要方向。

4)虽然单周控制在工业应用上做了大量研究，但总体上仍停留在理论分析和仿真实验上，用于工程实践很少，因此须加强理论研究与实际工程应用的结合，加快成熟应用模型的产品化工作。