單相逆變器多環(huán)反饋控制策略研究

摘要：應(yīng)用了一個(gè)多環(huán)反饋控制策略來調(diào)節(jié)不間斷電源逆變器的輸出。分析了這種控制策略的時(shí)域與頻域特性。最后給出了仿真和實(shí)驗(yàn)波形，結(jié)果證明了這種控制方法對(duì)線性負(fù)載和整流橋負(fù)載都有很好的控制效果。
關(guān)鍵詞：逆變器；多環(huán)反饋；數(shù)字控制

0 引言
    過去對(duì)逆變器的研究側(cè)重于采用新型高頻開關(guān)功率器件，從而減小濾波器尺寸，優(yōu)化輸出濾波器設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)低輸出阻抗等，這些措施能在一定程度上抑制輸出波形失真并改善負(fù)載適應(yīng)性，但是還不夠理想。為了進(jìn)一步提高逆變器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，必須采用新的控制方法。采用重復(fù)控制技術(shù)，可以較好地抑制周期性干擾，但是，重復(fù)控制延時(shí)一個(gè)工頻周期的控制特點(diǎn)，使得單獨(dú)采用重復(fù)控制的逆變器動(dòng)態(tài)特性極差，基本上無法滿足逆變器的指標(biāo)要求。如果將雙環(huán)控制和重復(fù)控制相結(jié)合形成復(fù)合控制方法,就可以達(dá)到較好的效果。但是，這種控制方法要占用較多的運(yùn)算時(shí)間，提高了成本，使系統(tǒng)變得復(fù)雜。具有非線性補(bǔ)償?shù)幕？刂圃谀孀兤鞯拈]環(huán)控制中也得到了應(yīng)用，盡管滑摸控制有著快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和負(fù)載變化不敏感，但是建立一個(gè)令人滿意的滑模面是很困難的。

    電容電流采樣的雙環(huán)控制可以極大地提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度,如果把順饋控制和逆饋控制相結(jié)合，組成復(fù)合控制系統(tǒng)，那么可以達(dá)到比較理想的控制效果。本文所采用的就是這種帶有順饋補(bǔ)償?shù)妮敵鲭妷汉蜑V波電容電流反饋的復(fù)合控制方案。

l 逆變器的控制模型
    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。z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由于開關(guān)器件的存在是個(gè)非線性系統(tǒng)。但是，當(dāng)器件的開關(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：

    式中：iC，iL,iZ，分別是通過電感，電容，負(fù)載的電流。
    式中:ic,iL,iz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程中，逆變器可以看作一個(gè)具有恒定增益的放大器。以上述的動(dòng)態(tài)方程為基礎(chǔ)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)如圖2所示的復(fù)合控制器。圖2中各參數(shù)的定義如表1所列。

2 控制器模型的特性分析
    在圖2控制框圖中，電壓環(huán)作為逆饋瞬時(shí)控制外環(huán)，電流環(huán)作為逆饋瞬時(shí)控制內(nèi)環(huán)。逆變器輸出電壓經(jīng)過比例環(huán)節(jié)與參考電壓比較，誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后作為電流控制內(nèi)環(huán)的一部分基準(zhǔn)，另一部分基準(zhǔn)來自于參考電壓的順饋，這個(gè)復(fù)合基準(zhǔn)與來自比例環(huán)節(jié)的電容電流比較后，再經(jīng)過比例調(diào)節(jié)和放大環(huán)節(jié)就得到了逆變器開關(guān)管的輸出電壓。為了能夠更清楚地分析上面的控制原理，現(xiàn)在采用下面的工程化分析方法，即

    1)由于電壓和電流逆饋環(huán)節(jié)的濾波常數(shù)很小，將其忽略；
    2)濾波電感和濾波電容的等效串聯(lián)阻抗對(duì)電路性能的影響較小，也將其忽略；
    3)以線性電阻為負(fù)載對(duì)象分析。
    取PI調(diào)節(jié)函數(shù)為可以對(duì)Uref實(shí)現(xiàn)誤差為零的復(fù)現(xiàn)(證明略)。利用上面的分析，可以把圖2化簡(jiǎn)為圖3。

    這樣，得到逆變器的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

   
    其極點(diǎn)和零點(diǎn)為

   
    通常則式(5)可以化簡(jiǎn)為

   

    根據(jù)上面的函數(shù)表達(dá)式，作出的閉環(huán)根軌跡如圖4所示。圖4中虛線部分是電壓瞬時(shí)值反饋控制的根軌跡，實(shí)線是本文所采用的復(fù)合控制的根軌跡圖。圖4(a)和圖4(b)分別是輕載和滿載的軌跡圖。從圖4中可以看出，本文所采用的控制方案由于在開環(huán)傳遞函數(shù)中引入的附加零點(diǎn)，使閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡遠(yuǎn)離虛軸，大大增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而且!萼筍的值比較大，因此可以減少系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，又不會(huì)造成系統(tǒng)較大的超調(diào)。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)
    圖5～圖8是用逆變器驗(yàn)證上面的控制方案的仿真結(jié)果。圖中的切換都是選在正弦波的波峰處，這種情況代表了切換的最大電壓崎變。圖中所示波形的動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間小于0．5ms，穩(wěn)態(tài)整流橋負(fù)載THD為1％。圖9和圖10是系統(tǒng)的開環(huán)和閉系統(tǒng)的相位裕度大于60℃，為數(shù)字控制的滯后，死區(qū)效應(yīng)，濾波器的滯后特性等留有足夠的穩(wěn)定裕量。而且調(diào)節(jié)時(shí)間很快，通帶內(nèi)增益穩(wěn)定，且相移很小。

4 結(jié)語
    分析了一個(gè)用于逆變器的復(fù)合控制技術(shù)，控制原理分析以及仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種控制方法穩(wěn)定性好，穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良，是一個(gè)值得推廣應(yīng)用的逆變器控制技術(shù)。