基于SPWM控制的电压、电流双环逆变器建模及其仿真

朱承邦 李 乐 王晓鹏

1大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁 大连116005 2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

基于SPWM控制的电压、电流双环逆变器建模及其仿真

朱承邦1李 乐2王晓鹏2

1大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁 大连116005 2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

基于SPWM的电压电流双环逆变器控制相对其他逆变器控制策略具有一定优越性，但其控制器参数设计却是一个重点和难点。针对逆变器的SPWM电压电流双环控制策略，建立了系统的控制模型，设计了电流内环和电压外环的控制器参数，并根据经典控制理论的判据，分别对控制器电流内环和电压外环参数进行了理论验证。最后根据设计的控制器参数，对SPWM电压电流双环控制系统模型进行了仿真分析，结果表明，系统设计合理，效果满意。

SPWM；逆变器；电压电流双环；仿真

1 引言

现代科技发展日新月异，各类电气设备对电源的品质要求也越来越高。逆变供电作为一种有效的电力供应形式，已广泛应用于生产生活的各个领域。

为了不断改善逆变器输出性能，人们发展出了多种逆变器控制方法，常见的有：电压瞬时值控制、电流滞环控制、电流预测控制、鲁棒控制［1］、重复控制［2，3］、滑模控制［4］及SPWM电流控制等。就各种逆变器控制策略的特点来看，基于SPWM的电压电流双环逆变器控制是一种较好的控制方法［5，6］。

本文针对电压电流双环逆变器控制模型，设计了电流内环和电压外环的控制参数，对设计的双环控制逆变器模型进行了仿真分析，分析结果证明了系统参数设计的合理性。

2 双环控制逆变器结构

基于SPWM的电压电流双环逆变器控制原理图如图1所示，外环为瞬时电压环控制，输出电压与参考正弦基准比较，误差信号经过PI控制器调节后作为电流内环基准；内环为电流环，电感电流瞬时值与电流基准比较产生的误差信号与三角波载波比较后产生SPWM控制信号。由于采用电感电流作为内环，因此这种控制方法有输出限流的功能，即使在输出短路的情况下，输出电流也不会很大，而是被限定在设定的电流值。这增加了系统的可靠性，对逆变器过载有较好的保护作用。

图1 电压电流双环逆变器控制原理图

3 控制器参数设计

忽略电感L、电容C的寄生电阻，电压电流双环逆变器控制框图［7］如图2所示。其中E为直流母线电压，R为负载阻抗，L为滤波电感值，C为滤波电容值，KL为内环电流检测系数，KU为外环电压检测系数，KPWM为PWM环节等效增益。输出电压与给定参考信号相比较，得到的误差信号经外环PI调节器（Kps＋KI）／s，其输出作为内环给定信号。内环给定信号与输出电流比较，得到的误差信号经内环比例调节器K倍运算，得到了内环的控制信号，最后送入PWM调制器控制PWM脉冲的产生。

图2 电压电流双环逆变器控制框图

3.1 电流内环设计

根据图2的电压电流双环逆变器控制框图［8］，提取其中的电流内环部分作为分析和研究的对象［9］。由于电流内环中间含有反馈分量输出电压UO，为了简化设计过程，我们假定在一个开关周期内，输出电压UO近似不变，得到简化的电流内环框图3。

假设不存在比例系数K时，电流内环的开环传递函数为：

此时电流通路为一阶系统，当添加了比例系数为K反馈环后，系统的开环传递函数为：

假设电流检测装置的输入输出比值为1∶500，检测电阻选取为200 Ω，由此得到比例系数KL为：

图3 电流内环框图

根据理论上的限制是将剪切频率设定为开关频率的一半，为了达到较好的控制效果，以少于1／5的开关频率（Fs＝20 kHz）来使用较为恰当。因此，选择剪切频率为4 kHz。将各参数代入式（2），可得出比例系数k的取值。

求解式（4）得：K＝75。

通过各个系数可得电流内环的闭环传递函数GLB为：

由式（1）和式（2）可得

根据式（6）和式（7）分别画出开环传递函数伯德图，其中图4（a）为无比例环节的电流开环传递函数伯德图，（b）为有比例环节的电流开环传递函数伯德图。

图4 电流环的开环传递函数伯德图

通过图4可以明显看出，增加了比例系数K后的电流开环传递函数伯德图在幅频特性L（ω）≥0的频段内，相频特性φ（ω）并不穿越－π线，而系统的开环传递补函数在S平面右半部无极点，故系统在闭环时必然稳定。

3.2 电压外环设计

设计电压环时，这里认为电流环的输出已经能够跟踪输入，在设计电压外环的过程中，将电流环等效于增益为1的比例环节，电压外环框图如图5。

图5 电压外环框图

在电压外环没有加入PI调节器以前，电压外环的开环传递函数GUK为：

为了使系统能够得到更好的动态性能，消除输出电压UO的稳态误差，这里引入PI调节器进行补偿，其开环传递函数GUK′：

这里设定电压环的电压检测系数KU＝0.01，电阻R＝50 Ω，电容C＝10 μF。没有加入PI调节器以前，电压外环由比例环节和惯性环节组成，系统的转折频率ωC为：

PI环节的转折频率设为3 140 rad／s，添加了PI环节后整个系统的剪切频率为6 280 rad／s，联立式（8）和式（9），建立以下方程。

求解式（11）得

得到PI控制器的传递函数GPI为：

由式（9）和式（12），计算出加入了PI控制器的电压闭环传递函数GUB：

通过式（8）和式（9）分别求得

根据式（14）、式（15）分别画出各开环传递函数的伯德图，其中图6（a）是PI补偿前电压环的开环传递函数伯德图，图6（b）是PI补偿后电压环的开环传递函数伯德图。可以看出，PI补偿后电压环的开环传递函数伯德图相角裕量为81.5°，闭环系统具有较好的稳态裕量。

4 逆变器的仿真分析

在MATLAB的Simulink模块仿真环境中，建立了基于SPWM的电压电流双环控制逆变器仿真模型［10－12］，表1是建模系统的主要参数，仿真结果见图7。

图6 电压环的开环传递函数伯德图

表1 逆变器的主要参数

图7（a）和（b）是逆变器从满载到断路时输出电流和电压的波形，（c）和（d）是逆变器从半载到满载时输出电流和电压波形。由仿真波形可知，逆变器输出电压波形响应迅速，无不良畸变，负载调整时系统抗干扰能力强，逆变器控制系统具有较好的负载动态性能和稳态性能，逆变器系统及控制参数设计合理。

图7 逆变器输出电流、电压仿真波形

5 结束语

本文根据SPWM控制的电压电流双环逆变器模型，对控制器的参数设计进行了重点讨论。其中内环的电流环采用比例调节，以提高系统的快速性和动态性能；外环的电压环采用PI调节，增加系统的稳定性和消除静态误差。仿真分析表明，系统具有较好的动态性能和稳态性能，参数设计合理。

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Modeling and Simulation of Voltage and Current Double Loop Control Based on SPWM Inverters

Zhu Cheng-bang1Li Le2Wang Xiao-peng2
1 The Naval Representative Office，Dalian Shipbuilding Heavy Industry Co.，Dalian 116005，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Comparing with other inverters control strategy，voltage and current double loop control based on SPWM inverters are superior in capabilities though the controller parameters design is significant and difficult.In this paper，the system control model has been constructed in terms of inverters of SPWM voltage and current double loop control strategy，and the current inner loop and voltage outer loop controller parameters design has been proposed with theoretical validation of classic control theory criterion.The SPWM voltage and current double loop control system model simulation provided with designed controller parameters shows that the system design is reasonable and the effect is satisfying.

SPWM；inverter；voltage and current double loop；simulation

TM743

A

1673－3185（2009）05－54－05

2008-09-03

朱承邦（1963－），男，高级工程师。研究方向：雷达应用