以諧波補償為基礎(chǔ)的逆變器波形控制技術(shù)研究

 摘要：介紹了一種基于諧波補償的逆變器波形控制技術(shù)，分析了系統(tǒng)的工作原理，詳細(xì)探討了控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計方法，并得出了試驗結(jié)果。

關(guān)鍵詞：諧波補償；逆變器；波形控制

0    引言

    逆變器是一種重要的DC/AC變換裝置。衡量其性能的一個重要指標(biāo)是輸出電壓波形質(zhì)量，一個好的逆變器，它的輸出電壓波形應(yīng)該盡量接近正弦，總諧波畸變率（THD）應(yīng)該盡量小。在實際應(yīng)用中逆變器經(jīng)常需要接整流型負(fù)載，在這種情況下僅僅采用SPWM調(diào)制技術(shù)的逆變器，其輸出電壓波形就會產(chǎn)生很大的畸變。

    為了得到THD小的輸出電壓，波形控制技術(shù)近年來得到了極大的發(fā)展。重復(fù)控制是近年來研究得比較多的一種控制方案。本文從諧波補償?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，采用改進(jìn)型FFT算法對輸出電壓誤差信號進(jìn)行實時頻譜分析，把由軟件算法產(chǎn)生的經(jīng)過預(yù)畸變的諧波信號注入逆變器，由此達(dá)到抑制非線性擾動從而校正輸出電壓波形的目的。

1    控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理分析

    圖1為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。G₁(s)表示控制對象，在這里就是輸出LC濾波器的傳遞函數(shù)，其離散化形式由G₁(z)表示。G₂(z)表示內(nèi)部模型，它與G₁(z)相等。

圖1    控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1    擾動抑制原理

    考慮擾動信號d(z)在輸出點的響應(yīng)。由圖1可以很容易得到擾動信號的傳函

    H_d(z)=1－    (1)

由于G₁(z)=G₂(z)，故H_d(z)可簡化為

    H_d(z)=1－G_c(z)G₁(z)    (2)

顯然，只要G_c(z)=G₁－1(z)，則H_d(z)=0，即擾動可以得到完全的抑制。

    不幸的是，實際逆變器的z域傳遞函數(shù)含有一個純延時環(huán)節(jié)，這就意味著諧波補償器G_c(z)必須含有一個超前環(huán)節(jié)，這在物理上是無法實現(xiàn)的。但在實際應(yīng)用中我們只須抑制低次諧波就可以獲得較好的輸出電壓波形，所以，只需要使諧波補償器低頻段頻率特性是控制對象G₁(s)低頻段頻率特性的逆就可以了。而這是很容易做到的，本文把這種低頻段頻率特性意義上的逆稱為“等效逆”。

1.2    內(nèi)部模型

    內(nèi)部模型G₂(z)就等于G₁(s)的離散化形式G₁(z)，它的作用就是模擬控制對象的特性，作為參考信號源。在實際系統(tǒng)中，內(nèi)部模型作為整個數(shù)字控制系統(tǒng)的一部分，由DSP軟件算法實現(xiàn)。

1.3    諧波補償器

    諧波補償器由FFT和諧波發(fā)生器組成。FFT算法對輸出電壓誤差進(jìn)行實時頻譜分析，因為，逆變器接整流型負(fù)載，其輸出電壓畸變主要是由于在輸出端疊加了次數(shù)較低的奇次諧波，所以，只須分析出1，3，5，7，9次諧波的幅值和初相位就可以滿足要求。

    設(shè)x(n)為N點有限長序列，其FFT為

    X(k)=x(n)    （3）
 

式中：k=0，1，…，N－1；

      =。

顯然，常規(guī)的FFT算法，其輸出點數(shù)和輸入點數(shù)是相等的，但在本系統(tǒng)中只須求出X(1)，X(3)，X(5)，X(7)，X(9)等5個輸出點，其他輸出點是不須計算的。根據(jù)基于FFT的蝶形計算流程圖可以知道，在只須計算指定的若干個輸出點的情況下，可以大大減少計算量，節(jié)省大量的DSP時鐘，這就使得在計算能力并不強(qiáng)大的F240定點DSP上，實現(xiàn)基于FFT算法的實時頻譜分析成為了可能。本文把這種經(jīng)過化簡的算法稱為改進(jìn)型FFT算法。

    諧波發(fā)生器的作用是把FFT分析出的諧波進(jìn)行預(yù)畸變，然后把預(yù)畸變的諧波信號作為補償指令送給控制對象。之所以要對諧波進(jìn)行預(yù)畸變，是因為控制對象對諧波的跟蹤是有差的，這就導(dǎo)致諧波信號通過被控對象到達(dá)擾動注入點時，并不與擾動信號形狀相同，而是相位正好相差180°的信號，這樣就無法很好地抵消擾動。諧波發(fā)生器的預(yù)畸變算法表達(dá)式如下：

    comp(n)=|X(n)|×modcoeff(n)×cos〔100πnt＋pha(n)＋phacoeff(n)〕（4）

    comp=comp(n)n=1，3，5，7，9    (5)

式中：|X(n)|為諧波幅值；

      pha(n)為諧波的初相位，它們由FFT算法計算得到；

      modcoeff(n)為幅值補償系數(shù)；

      phacoeff(n)為相位補償系數(shù)。

    式(4)為單次諧波的補償指令計算式，式(5)為系統(tǒng)需要補償?shù)乃兄C波的總補償指令計算式，它是各單次諧波補償指令的簡單累加。

    幅值補償系數(shù)modcoeff(n)和相位補償系數(shù)phacoeff(n)可以通過控制對象的幅頻、相頻特性根據(jù)“等效逆”的原則簡單地確定。具體來說，modcoeff(n)就是幅頻特性頻率對應(yīng)點讀數(shù)的倒數(shù)，phacoeff(n)就是相頻特性頻率對應(yīng)點讀數(shù)的負(fù)數(shù)?？梢钥闯?，諧波補償器補償系數(shù)的確定是非常簡單的，這是本文所用控制方案的一大優(yōu)點。

2    控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

2.1    FFT采樣頻率f_s和分析窗長度L的確定

    采用FFT算法進(jìn)行實時頻譜分析，采樣頻率f_s和分析窗長度L的確定是非常重要的。假設(shè)所需要分析信號的最高頻率為f_max。根據(jù)香農(nóng)采樣定律，只須滿足

    f_s≥2f_max    (6)

就可以使被分析信號在頻域中不產(chǎn)生混疊。在這里，基波是50Hz，最高只需要分析到9次諧波，所以f_max=450Hz。為了留有一定的裕量，在實際系統(tǒng)中f_s取1.6kHz。

    分析窗長度L對于周期信號的頻譜分析也是極其重要的，一般都把L取為被分析信號周期的整數(shù)倍，否則，會造成嚴(yán)重的頻譜泄漏，大大降低頻譜分析精度。顯然，實際系統(tǒng)中被分析的誤差電壓信號周期就是基波周期，即為0.02s。所以就把L取為0.02s(即為周期的一倍)。

    根據(jù)FFT的輸入數(shù)據(jù)點數(shù)N的計算式：N=f_s×L，以及采樣頻率f_s和分析窗長度L的取值，可以得到N=32。這就是說，本控制系統(tǒng)須做32點的FFT。

2.2    幅值補償系數(shù)和相位補償系數(shù)的確定

    在圖2中，電壓源U代表來自逆變橋的輸出電壓，電感L和電容C構(gòu)成輸出LC濾波器，電流源I代表負(fù)載汲取的電流，與濾波電感L串聯(lián)的電阻r是濾波電感的等效串聯(lián)電阻。由圖2可知，在把逆變橋看作一個比例環(huán)節(jié)的情況下，逆變器的數(shù)學(xué)模型就是由輸出LC濾波器構(gòu)成的二階系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，L=0.552mH，r=0.3Ω，C=135μF，所以逆變器數(shù)學(xué)模型為

    G₁(s)=    (7)

它的離散化表達(dá)式為

    G₁(z)=    (8)

圖2    逆變器等效電路模型
根據(jù)圖3，可以很方便地得到幅值補償系數(shù)modcoeff(n)和相位補償系數(shù)phacoeff(n)。表1給出了最終的取值。

圖3    控制對象頻率特性

表1    補償系數(shù)的取值

3    實驗結(jié)果

    對本文所用的控制方案進(jìn)行了實驗，逆變器參數(shù)為L=0.552mH，r=0.3Ω，C=135μF，開關(guān)頻率f=8kHz，輸出頻率50Hz，幅值110V的交流電壓。采用一片TI的TMS320F240定點DSP實現(xiàn)所有的控制功能。阻性負(fù)載參數(shù)為R=11Ω。整流型負(fù)載參數(shù)為L=0.8mH，C=2460μF，R=27Ω。

    實驗波形如圖4，圖5和圖6所示。

圖4    阻性負(fù)載穩(wěn)態(tài)波形

圖5    整流型負(fù)載開環(huán)穩(wěn)態(tài)波形

圖6    整流型負(fù)載閉環(huán)穩(wěn)態(tài)波形

    圖4給出了逆變器接阻性負(fù)載的穩(wěn)態(tài)輸出電壓和電流波形。圖5及圖6分別給出了逆變器在接整流型負(fù)載情況下開環(huán)穩(wěn)態(tài)、閉環(huán)穩(wěn)態(tài)的實驗波形?？梢钥闯鲩_環(huán)情況下輸出電壓波形畸變嚴(yán)重，閉環(huán)以后輸出電壓波形有了極大的改善。

4    結(jié)語

    本文采用了一種與重復(fù)控制不同的波形控制方案。實驗結(jié)果表明，本文采用的改進(jìn)型FFT算法大大減少了計算量，保證了在F240定點DSP上實現(xiàn)實時頻譜分析，并且整個控制系統(tǒng)擁有較好的穩(wěn)態(tài)性能。這說明本文采用的控制方案在理論上是正確的，實踐上是可行的。而且，這種基于諧波補償思想的控制技術(shù)還有諧波補償器補償系數(shù)設(shè)計簡單的優(yōu)點?？傊?，該控制方案具有較好的性能，還有一些獨特的優(yōu)點，有一定的實用價值。