大功率逆变器输出波形的双环控制

夏星煜，邹广平，荣 军



大功率逆变器输出波形的双环控制

夏星煜，邹广平，荣 军

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

根据大功率高性能逆变器技术要求，提出了一种电压外环，电流内环的双环控制方式，并通过matlab建模仿真验证了其控制方式对逆变器输出波形的改善作用。

逆变器 双环控制 PI调节

1 逆变器控制技术概述

近些年，逆变器输出波形的控制逐渐成为了研究人员对变换电源研究的热点问题，其控制技术主要解决的问题就是输出带不同的负载条件（纯阻性负载、阻感性负载、阻容性负载等）下能否输出稳定、符合要求的正弦波和在外部干扰突然变化的情况下能否快速、稳定的实现调节。所以，对实际的变换电源来说，主要看其是否能符合以下两点性能要求：

1）稳态时输出电压波形畸变率，基波分量所占比重大并且无相位差，THD 值小等；

2）动态特性好，在外部扰动突然变化的情况下能快速实现调节，波形震动小。

目前对逆变器波形控制的技术主要有以下两种方式：

1）基于周期波形反馈控制技术，就是采集一个周期内的电压电流波形，然后与标准输出波形作比较，对其进行校正和补偿。

2）基于瞬时值反馈的波形控制技术，就是对逆变器输出波形实时进行检测，把检测回的输出值与参考值作比较来进行调节。主要包括瞬时值内环反馈控制技术，PID（单内环）控制技术，双闭环控制技术，无差拍控制技术，线性多变量状态反馈控制技术等。

目前，应用最广泛的是 PWM控制技术。利用数字信号处理器（DSP）方便了建模仿真，用数字化控制系统取代了之前的模拟控制系统，简化了控制系统，为其分析调节提供了可靠性。

2 逆变器双环控制的技术策略

2.1 SPWM单相半桥逆变器数学模型

三相三线制逆变器，由于其电路结构的对称性，可以把其等效为三个单相逆变器，所以本文在下面的研究对象均是单相半桥逆变器。

图1是一单相半桥逆变器的主电路图，其中d为直流母线电压，i为桥臂输出电压，c为输出电压，为滤波电感，为实际滤波电感的阻抗值和开关管压降、死区效应等实际情况中的等效值，为滤波电容，为时变的负载阻抗，0为负载电流，本文这里着重对0加以说明：0可以看做是输出电流，由于负载阻抗是时变的，因而0也是时变的，在控制系统中就可以把其当作一个外部干扰信号，作为一个干扰量加入到控制系统当中，这样就能更简易的建立其数学模型。

状态空间方程的表达形式跟所选择的状态变量和扰动变量有关，因而需要根据控制方案中的控制量对状态变量及扰动变量进行选择。本文后面均以电感电流值作为内环电容电压值为外环的双环结构来分析，所以这里选择的状态变量为电容电压c和电感电流L。根据KCL、KVL方程可以较为容易的列出以[cL]为状态变量，in为输入量，0为扰动变量的状态方程：

其中：C为电容电压，in为桥臂输出电压，L为电感电流，0为负载扰动电流。由于单相逆变器的主电路为单相半桥，在使用双极性PWM调制时，逆变桥输出电压in只可能是两种情况，即为d/2或-d/2，因而方程（1）中in是不连续的，该状态方程是非线性的。但此电路在开关管导通、关断两个过程中，in始终只保持两个值不变，即该逆变器电路始终只是工作在这两个状态情况下，而且这两个工作状态的状态方程不变，只是其中的一个状态变量in发生了反向，所以分别对这个两个状态建模，列些出这两个状态的状态方程就可以精确的分析逆变器的数学模型。

因为以上两个状态方程是相同，为了简化计算，这里采用状态空间平均法来将以上的两个状态方程合并为一个状态方程进行分析，即用一个开关周期内的桥臂输出电压的平均值代替状态方程（1）中的in，则可以得到连续的状态空间方程。

则状态方程（2）可表示为

式（2）便构成了单相半桥PWM逆变器的状态空间平均模型。

若假设主流母线电压d恒定不变，开关器件都是理想工作状态功率开关，开关频率比较高（不会与基波频率和LC产生谐振），且不考虑死区效应，则逆变桥就可以简化为一个增益比为K的放大器模型，即，这样将其带入式（2）就可以使整个逆变器线性化。

由状态空间平均模型可以推导出双输入r(s)和0（s）作用时系统在频域（s域）输出响应关系的关系式：

对应的方框图如图2所示。

图2 单相逆变器主电路方框图

2.2电感电流内环的双环控制模型分析

逆变器的开环运行，其抗干扰能力比较小，动态性能比较差，另外还有死区效应等多方面的因素使得输出波形无法达到要求，不能满足实际工程应用场合的要求，因此采用瞬时值反馈闭环控制技术在逆变器波形控制方面的应用就显得尤为重要了。闭环控制技术也分单闭环和双闭环控制技术，单闭环控制技术是当扰动产生作用于输出电压波形，是电压波形发生改变之后才对系统进行调节，这样在抵抗负载扰动方面就比较滞后，动态响应时间比较长，对其输出波形调节也不是很理想。研究证明，当前高性能逆变电源的发展方向之一是以电流内环和电压外环的双环控制方案，该方案不仅能像单电压闭环那样对负载扰动之后对电压波形进行调节，另外添加了电流内环，使得负载电流扰动产生之后就立刻反馈给控制系统进行调节，提高了系统的动态响应能力。

本文分析的电流内环的反馈量是电感电流，图3为该双环结构的逆变器电路结构，控制系统需要采集的量有：输出滤波电容电压c，输出滤波电感电流L，以及负载扰动电流0。

电感电流内环的双环控制框图如图4。其工作基本原理为：给定电压值r与输出电压的反馈值c作比较，对得到的误差进行PI调节（V），然后得到电流内环的参考值*L，*L再与电感电流L比较得到电流误差，经过PI调节（i）得到最终控制量，对逆变器输出波形进行控制。

图3 基于双环控制的逆变器主电路控制图

图4 基于双环控制的系统框图

为了不失一般性，电压调节器G和电流调节器G均设计为PI调节器，其表达式为

3 仿真实验结果

结合控制框图4，并在MATLAB环境下的Simulink进行仿真，其参数选取为：直流输入电压d=680 V，输出电压C=220 V，负载电流扰动前馈补偿系数=0.95时，非线性阻容性负载带（3300 μF，10 Ω），并且在同一极点的情况下配置PI控制器的参数，最后通过仿真得到了如下的输出电压电流波形图。

从图5可以看出当=0.95时，基波的幅值削弱较小，输出电压波形畸变率THD为1.6%，满足实验要求。

图5 α=0.95阻容性负载仿真波形

4 总结

本文以单相逆变器为研究对象，通过理论分析建立了其连续的数学模型，分析了影响开环逆变器输出波形THD的主要因素，并提出了用电流内环和电压外环的双环控制方法；并且通过仿真验证了双环控制方法对逆变器输出波形的改善，使其输出波形的电压畸变率大为降低，提高了系统的可靠性。

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Double Loop Control for A High Power Inverter

Xia Xingyu, Zou Guangping, Rong Jun

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM464

A

1003-4862（2015）02-0071-03

2014-11-07

夏星煜（1990-），男，研究生。研究方向：电机与电器（电机控制）。