重载下逆变器三闭环控制策略研究

秦斌，黄鹰

(湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007)

重载下逆变器三闭环控制策略研究

秦斌，黄鹰

(湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007)

为解决传统双闭环控制逆变器在重载下掉压严重的问题，本文采用增加一个输出电压有效值反馈环的方法，使之形成三闭环控制系统。在分析三闭环控制原理的基础上，采用matlab搭建该系统模型，并进行了仿真实验。通过对比双闭环控制与三闭环控制仿真波形，相比于双闭环控制，三闭环控制更能有效解决逆变器在重载下掉压的问题。

逆变器；SPWM；三闭环控制

0 引言

逆变器在军事、工业、医疗、证券、银行和航空航天等相关领域的应用，越来越广泛。随着电力电子技术的迅猛发展，用户对逆变器也提出了更高的性能要求。传统的电压电流双闭环控制的逆变器在重载下存在掉压问题，而三闭环控制可以很好地解决逆变器在重载下掉压严重的问题。

图1 逆变器主要结构图Fig. 1 inverter main structure

1 三环控制及其主电路

逆变器主要结构如图1所示，主拓扑采用全桥结构，功率管的驱动信号由正弦波(调制波)和三角波(载波)交截获得[1-2]。单相逆变器的三闭环控制结构框图如图2所示，最内环是电感电流瞬时值环，中间环为电容电压瞬时值环，最外环为输出电压有效值环。其中，瞬时值电流环主要起到一个校正输出电压波形的作用，瞬时值电容电压环主要起到一个校正输出电压相位的作用，而有效值输出电压环主要起到一个让输出电压幅值稳定的作用[3]。

图2 三闭环控制结构框图Fig. 2 Three closed-loop control structure diagram

瞬时值电流内环采用P(Proportional，比例)调节器，瞬时值电容电压环采用PI(proportional-Integtal，比例-积分)调节器，有效值输出电压外环也采用PI调节器。传统的调制器采用的是单极性和双极性方式的SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉宽调制)技术，输出脉冲频率和开关频率是相等的，这种调制方式优点是结构简单，易于实现；缺点是在大功率场合下，开关频率不能太高，其原因在于：1)开关频率过高，功率开关管会严重发热，易损坏功率开关器件；2)开关频率过高，功率开关管高速通断，会产生过高电压尖峰，击穿开关管和其他器件；3)开关频率过低，功率器件的开关损耗增大，逆变器效率降低，并且开关频率降低会使输出波形THD(total harmonic distortion，总谐波失真)变高，达不到所要求的性能指标。

为了改善输出波形质量，传统的做法是增大电感或者电容，或者增加三闭环控制器中的比例系数，但是这种方法会使设计的逆变器体积变大，增大有色金属的消耗，从而使成本增加[4-5]。另外在实际数字控制系统中，过大的比例系数容易造成系统振荡，故本文调制器的调制方式采用单极倍频式SPWM。

2 单极性倍频SPWM调制

2.1 单极性倍频SPWM调制原理

单极性倍频SPWM调制原理如图3所示。从输出特性看，单极性倍频调制方式和单极性SPWM调制时输出一样的脉冲。不同的是，由于倍频，因而载波频率提高了一倍。在SPWM脉冲序列经过驱动模块后，4个功率管在不同模式和相同的功率开关管开关频率下工作，逆变器的输出电压脉冲比单极性SPWM调制方式增加了一倍，所以单极性倍频SPWM也称为双重SPWM调制方式。

由图3可知，单极性倍频的调制方式的实质是把需要调制的基准正弦波与相差为半个周期的两个三角波载波得到的SPWM脉冲序列去控制相应的全桥功率开关管，从而得到相应的正弦脉冲序列。单极性倍频调制方式包含两个三角载波信号Uc1和Uc2，并且此载波信号相差为半个开关周期。

2.2 逆变输出滤波器设计

逆变器的输出LC滤波器主要用来滤除开关频率及其邻近频带的谐波[6-7]。单极性倍频调制方式的电感量值L大小一般由电感电流的最大纹波决定，最大纹波值取为满载电流的15%比较恰当。

图3 单极性倍频式SPWM示意图Fig. 3 Single polarity SPWM frequency doubling type diagram

本文设计的单相逆变器为5kW，输出电压为220U，频率为50Hz,由以上参数和分析可知：

设逆变桥输出电压脉冲幅值为Uab，直流侧母线电压为E，则占空比为。再根据纹波电流公式可得电感纹波电流的具体表达式为：

逆变器输出端采用了电感L和电容C构成的二阶低通滤波器，用以滤除输出端高次谐波。因为电感L根据最大纹波电流已经确定，所以只要根据LC滤波器的截止频率就可以确定电容C。因为本文采用的是单极性倍频SPWM调制，输出端谐波则为2倍开关频率的偶次倍谐波，根据工程的经验值，取1/10倍开关频率作为LC滤波器的截止频率，即：

因为实际电路中，逆变器大多数器件都存在一定非线性，基准正弦波也不是标准正弦波，因而低次谐波会混在输出波形中。所以一般工程上，会将电容量C适当增大，这样可以有效抑制低次谐波[8-9]。将电感值代入上式中计算，3即可得电容值：

在实际电路中可取电容为10μF，电感值为1mH。

3 Matlab仿真及结果分析

3.1 双闭环控制仿真结果及分析

1)基于双闭环原理，双闭环采用常规SPWM调制，采用Matlab/SimUlink搭建了仿真模型，进行了仿真实验。双闭环空载波形和突加负载波形分别如下图4和图5所示。

图4 空载波形Fig.4 Light wave

图5 突加重载后的波形Fig. 5 After the sudden increase load waveform

2)从图4可知，双闭环控制下的逆变器在空载下，输出电压输出波形在稳态下没有出现波动，达到预期目标，但是在时间t=0.2s时突加负载后，如图5所示，逆变器输出电压从t=0.2s时刻开始出现掉压现象，达到了一个新的稳态，并且不能还原到突加负载前的稳态，即没有办法自我修复突加负载下的掉压问题。

3.2 三闭环控制仿真结果及分析

1)基于双闭环原理，双闭环采用常规SPWM调制，采用Matlab/Simulink搭建了仿真模型，进行了仿真实验。三闭环空载波形和突加负载波形分别如下图6和图7所示。

2)从图6可知，三闭环控制下的逆变器在空载下，输出电压波形经过短暂的暂态后进入了预期稳态，不在出现波动，达到预期目标。当在在时间t=0.2s时突加负载后，如图7所示，逆变器输出电压从t=0.2s时刻开始出现掉压现象，但是只掉压两个周波时间后，输出波形重新回到了没有突加负载前的稳态，由此可见，三闭环控制可以有效解决逆变器在重载下的掉压问题。

4 结论

本文针对双闭环控制下的逆变器在重载下的掉压问题，提出在双闭环的基础上增加一个电压有效值外环的方法，用以解决双闭环控制的逆变器在重载下的掉压问题，并在matlab/simulink环境中进行了仿真实验，通过分析和对比双闭环控制与三闭环控制的逆变器输出电压波形，结果证明，三闭环控制可以有效解决逆变器在重载下掉压的问题。

图6 空载波形Fig. 6 Light wave

图7 突加重载后的波形Fig. 7 After the sudden increase load waveform

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Research on Triple-closed Loop Control Strategy of Single Phase Inverter under the Heavy Load

QIN Bin, HUANG Ying
(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan 412007, China)

To solve the problem of the traditional double closed loop control inverter's voltage drop under heavy load, a triple-closed loop control system for the inverter is presented in the way that a feedback loop of output voltage RMS is added to the traditional double closed loop in this paper. Based on the analysis of triple-closed loop control principle, the system model is built by using MATLAB and the simulation experiment is carried out. The simulation results show that the triple-closed loop controllers can solve the problem of voltage drop under heavy load more effectively, comparing with the double closed loop control.

inverter; SPWM; triple closed loop control

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.02.06

国家自然科学基金项目(61074067)。

秦斌(1963-), 男, 教授, 博士, 主要研究方向: 复杂工业过程建模与优化控制; 黄鹰(1986-), 男, 硕士研究生, 研究方向为: 现代电力电子技术及系统。

秦斌，黄鹰．重载下逆变器三闭环控制策略研究[J]．新型工业化，2015，5(2)：33-37