兩種典型控制方法在逆變器控制器中的比較

摘要：對(duì)比分析了逆變器控制中的電容電流反饋和電感電流反饋兩種控制方式。推導(dǎo)了控制器的控制模型，分析了控制器的設(shè)計(jì)方法，給出了各種突加負(fù)載及恒定負(fù)載狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，指出了兩種控制方法的特點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)在800VA的逆變器中進(jìn)行,逆變器的開(kāi)關(guān)頻率是30kHz，輸出電壓是400Hz,115V有效值的正弦波。

關(guān)鍵詞：電容電流；電感電流；控制器

0    引言

    逆變器可以采用的控制方法種類(lèi)繁多，不同的控制方法都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)及適用場(chǎng)合[1][2]。從控制環(huán)路的角度看，可以分為開(kāi)環(huán)控制、單環(huán)控制、雙環(huán)控制以及多環(huán)控制。

    開(kāi)環(huán)控制無(wú)論在靜態(tài)特性或動(dòng)態(tài)特性方面都無(wú)法滿足UPS逆變器的要求。為了獲得逆變器輸出電壓良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，可以采用輸出電壓?jiǎn)苇h(huán)瞬時(shí)值反饋控制。這種控制方法能夠?qū)崟r(shí)地調(diào)節(jié)輸出電壓的波形，比較好地抑制元器件的非線性特性和直流母線電壓波動(dòng)帶來(lái)的影響，在一定程度上改善了逆變器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。但是由于這種控制方法只有單電壓環(huán)控制，當(dāng)負(fù)載發(fā)生比較大的動(dòng)態(tài)變化時(shí)（如負(fù)載的電流突然變大），逆變器的輸出電壓會(huì)有比較大的畸變，而且動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)比較慢。由于這種系統(tǒng)是二階振蕩環(huán)節(jié)，負(fù)載越輕，動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間越長(zhǎng)，且輕載時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡靠近虛軸，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。為了進(jìn)一步提高逆變器的控制特性，可以采用雙環(huán)和多環(huán)控制，由于多環(huán)控制比較復(fù)雜，目前實(shí)際應(yīng)用中采用很少。雙環(huán)控制由于控制性能良好，控制方便而得到了較多的應(yīng)用。本文針對(duì)輸出電壓和濾波電容電流反饋以及輸出電壓和濾波電感電流反饋的兩種典型雙環(huán)控制方法進(jìn)行了對(duì)比分析。

1    兩種反饋環(huán)路的逆變器控制模型

    圖1是全橋逆變器的主電路圖，Vd是直流電壓源，S1～S4是4個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管，L和C是濾波電感和濾波電容，用于濾除逆變系統(tǒng)中的高次諧波。rL和rC是濾波電感和濾波電容的等效串聯(lián)阻抗。ZL是負(fù)載，負(fù)載可以是純阻性也可以是非線性等。圖1所示的逆變器主電路圖由于開(kāi)關(guān)器件的存在是個(gè)非線性系統(tǒng)。但是，當(dāng)器件的開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于逆變器輸出電壓的基波頻率時(shí)，可以用狀態(tài)空間平均和線性化技術(shù)來(lái)分析。按照?qǐng)D1所示，可以得到下面的逆變器模型的動(dòng)態(tài)方程：

    （1）

    （2）

    v0=（3）

    iL=iC＋iZ（4）

式中：iC，iL，iZ分別是電感、電容、負(fù)載的電流。

圖1    全橋逆變器的主電路

    上面的動(dòng)態(tài)方程顯示了逆變器中各個(gè)量的相互關(guān)系。在上面建立方程的過(guò)程中，逆變器可以看作一個(gè)具有恒定增益的放大器。以前面的動(dòng)態(tài)方程為基礎(chǔ)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)如圖2和圖3所示的控制器模型。其中的系數(shù)定義如表1所列。

圖2    電感電流反饋逆變器控制模型原理框圖

圖3    電容電流反饋逆變器控制原理框圖

表1    系數(shù)定義

    從上面的控制框圖中可以看出，電感電流反饋和電容電流反饋的控制差別只在于電流反饋的路徑不同?？刂骗h(huán)的結(jié)構(gòu)是相同的，這樣在設(shè)計(jì)閉環(huán)參數(shù)時(shí)，可以使用相同的設(shè)計(jì)方法，因此，從反饋參數(shù)的設(shè)計(jì)上講，兩種控制方式的設(shè)計(jì)方法可以完全相同，只是參數(shù)的量值有所變化。

    控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)要使得系統(tǒng)在低頻區(qū)域有很大的放大倍數(shù)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；中頻段的斜率不能太大，也不能太小。而且中頻段要有一定的寬度，這樣系統(tǒng)的相位余度較大。系統(tǒng)的穿越頻率越高，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但是太高會(huì)引入高頻干擾。高頻段的設(shè)計(jì)要求隨著頻率的增加，控制器的幅頻特性迅速減小，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2    兩種反饋控制方式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    依據(jù)前面所述的控制原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)額定輸出功率800VA，輸出電壓115V正弦波，輸出頻率400Hz的逆變器。在這個(gè)逆變器中，分別進(jìn)行了電感電流反饋和電容電流反饋兩種饋兩種方式控制方式的比較，用來(lái)說(shuō)明兩種控制方式的特點(diǎn)。

    為了對(duì)比需要，本文所有電感電流反饋實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)相同。同樣，所有電容電流反饋實(shí)驗(yàn)中的控制參數(shù)也相同。圖4～圖9是線性負(fù)載時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，圖10～圖13是整流橋負(fù)載時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。從圖4～圖7可以看出兩種控制方式下的空載輸出電壓和滿載輸出電壓波形THD基本相同。由于電容電流是輸出電壓的微分，對(duì)輸出電壓的變化有預(yù)測(cè)作用，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度應(yīng)該很快。而電感電流反饋的電流也包含了電容電流，因此，也有較快的響應(yīng)速度。從圖8和圖9可以看出，電容電流反饋和電感電流反饋時(shí)逆變器的切換時(shí)間和超調(diào)基本相同。從圖10～圖13可以看出，對(duì)于整流橋負(fù)載，電容電流反饋控制時(shí)輸出電壓要比電感電流控制時(shí)輸出電壓波形質(zhì)量好很多。圖13中輸出電壓的THD為7％。適當(dāng)改變控制參數(shù)，圖13中的THD可以減小。由于電容電流是輸出電壓的微分，對(duì)負(fù)載電流的突變非常敏感，能在輸出電壓畸變之前作出校正。因此，如上面實(shí)驗(yàn)波形所示，電容電流反饋時(shí)逆變器輸出電壓的波形質(zhì)量比電感電流反饋時(shí)的輸出電壓的波形質(zhì)量好得多。電感電流反饋可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，使用和穩(wěn)態(tài)時(shí)相同的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)限流保護(hù)，效果如圖14所示。和電感電流反饋不同的是，穩(wěn)態(tài)時(shí)電容電流不能反映負(fù)載的大小，因此，電容電流反饋不能直接依靠和穩(wěn)態(tài)時(shí)相同的反饋參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)，如果要實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)，需要采用其他方法[3]。

圖4    電容電流反饋線性負(fù)載空載輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形THD=0.8％

圖5    電感電流反饋線性負(fù)載空載輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形THD=0.9％

圖6    電容電流反饋線性負(fù)載滿載輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形THD=1.2％

圖7    電感電流反饋線性負(fù)載滿載輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形THD=1％

圖8    電容電流反饋線性負(fù)載滿載到空載切換輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形

圖9    電感電流反饋線性負(fù)載滿載到空載切換輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形

圖10    電容電流反饋整流橋負(fù)載空載輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形THD=1.0％

圖11    電感電流反饋整流橋負(fù)載空載輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形THD=1.1％

圖12    電容電流反饋整流橋負(fù)載滿載輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形THD=1.3％

圖13    電感電流反饋整流橋負(fù)載滿載輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形THD=7％

圖14    電感電流反饋限流時(shí)輸出電壓電感電流實(shí)驗(yàn)波形

3    結(jié)語(yǔ)

    分析說(shuō)明電容電流反饋和電感電流反饋控制器的設(shè)計(jì)原理相同。線性負(fù)載穩(wěn)態(tài)時(shí)兩種控制方式所產(chǎn)生的輸出電壓波形質(zhì)量都比較好，暫態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)也都比較快。但是對(duì)于整流橋負(fù)載而言，電容電流反饋的控制結(jié)果要比電感電流好很多。因此，電容電流反饋的負(fù)載適應(yīng)性要比電感電流反饋好得多，適用于線性負(fù)載、整流橋等負(fù)載。電感電流反饋適用于線性負(fù)載和需要限流保護(hù)的場(chǎng)合。本文的設(shè)計(jì)是通過(guò)模擬控制方式實(shí)現(xiàn)，與目前流行的各種復(fù)雜數(shù)字控制方法比較，輸出波形質(zhì)量基本相當(dāng)，但具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)。