基于大功率低频正逆波逆变器三环控制技术的仿真研究
2016-10-13广州无线电集团龙庆文
广州无线电集团 龙庆文
基于大功率低频正逆波逆变器三环控制技术的仿真研究
广州无线电集团 龙庆文
正弦波逆变器越来越多的应用于大功率变换场合，其控制算法是当前的一个研究热点。基于单相全桥逆变桥拓朴，本文介绍了电压瞬时值反馈控制的双极性PWM调制技术的原理和优缺点，提出了一种新型的适用于大功率正弦逆变器的控制策略，分析了其原理和特点。采用Matlab软件进行了仿真研究，结果表明，所提出的新策略既能输出品质好、谐波低的正弦波，同时系统具有优良的稳定性、动态特性。
同相调制；控制策略；三环反馈；仿真
1. 引言
随着低频正逆波逆变器越来越多的应用于大功率变换场合，其控制方法也成为人们当前研究的一个热点。传统正逆波逆变器采用电压瞬时值单一反馈环控制的双极性PWM调制技术，在大功率应用中因功率开关管开关电流大，两端电压高，开关频率增大将使开关管损耗严重，低开关频率又会导致输出波形差等问题［1］；由于受控对象存有二阶传递函数，系统的稳定性、动态性能也不理想。本文提出了一种新的适用于大功率正弦波逆变器的控制策略，该策略将单相全桥逆变器的同相PWM调制技术与三环反馈控制方法结合起来，使逆变器在开关频率不变时能等效提高开关频率，方便了变压器、滤波器的设计，且输出电压是低谐波含量的高品质正弦波，同时系统具有优良的稳压特性、动态特性。通过仿真实验对该策略的性能与优点加以分析和证实。
2. 新型逆变器控制方法原理
2.1双极性电压外环控制法
双极性PWM控制方式是目前在逆变器中应用最为广泛的方法。图1为单相全桥逆变电路拓朴结构。
图1 单相全桥逆变电路拓朴结构Fig.1 The topology of single-phase full-bridge inverter
对功率开关器件采用SPWM控制， 单相全桥逆变电路的传统控制策略一般采用的双极PWM控制方式，每个模块的SPWM信号是由三角载波和正弦调制波比较产生，其原理如图2所示，工作时，V1和V2的通断状态互补，V3和V4的通断状态也互补。具体的控制规律如下：在信号波的ur的正半周期，当ur＞uc时，给V1和V4以导通信号，给V2和V3以关断信号；当ur＜uc时，给V1和V4以关断信号，给V2和V3以导通信号［2］。
采用双极性PWM控制方式时，我们通常对单相全桥逆变拓朴采用电压瞬时值反馈控制算法［3］，通过输出电压瞬时值与给定正弦波信号作比较，根据实际值与期望值的偏差来实时地调整逆变器开关管的驱动脉宽，电压瞬时值反馈使逆变器的性能得以提高。但由于受控对象具有接近无阻尼的二阶传递函数，导致系统的稳定性、动态性能不佳，所以该方法的控制性能不理想。
2.2新型同相三环控制策略
根据双极性电压瞬时反馈控制算法的缺点，提出了一种新型的三环反馈控制策略，这种控制策略考虑正弦调制波水平方向上的自由度［4］，采用两组正弦波对桥臂单独控制，并与三环反馈控制方法相结合，下文先对该控制策略的原理做简要介绍。
2.2.1同相调制原理
单相全桥逆变电路的同相调制技术如图2所示，同相控制实质上是一种分相调制方案［5］，它将单相全桥看成两个单相半桥的组合，左右桥臂各采用不同的信号波，信号波具有相同的频率和幅值，但右桥臂调制波滞后左桥臂调制波180°。两个半桥的载波信号采用同一个三角波，对于左半桥，当ur＞uc时，V1导通V2关断，当ur＜uc时，V1关断V2导通；对于右半桥，当-ur＞uc时，V3导通V4关断，当-ur＜uc时，V3关断V4导通。
图2 同相PWM调制技术原理Fig.2 The principle of in-phase PWM modulation method
2.2.2同相三环反馈控制算法
新的方案将单相全桥逆变器的同相PWM调制技术与三环反馈控制方法结合起来。三环反馈控制方法如图3所示，保留电压瞬时值检测，电压调节器输出后，先与采样的电容电流瞬时值进行比较，经过电流调节器后产生信号波，同时在电压瞬时值外环增加一电压有效值最外环，在三环反馈控制结构中，电容电流瞬时值反馈环是内环，电容电压瞬时值反馈环是外环，电压有效值反馈环是最外环。滤波电容电流的引入后，从电压瞬时值调节器的输出到电容电流之间的部分被反馈包络，可以近似成一个的比例环节，就像一个受控的电流源，使得系统的稳定性大大提高［6］。
图3 同相三环反馈控制原理图Fig.3 The principle of in-phase tricyclic feedback control
3. 仿真及结果分析
3.1仿真实验
为了比较新旧两种PWM调制法的控制效果， 分析其利弊，利用仿真软件MATLAB 对两种PWM控制方法进行了仿真。建立一个由PWM控制电路和单相逆变电路组成的系统模型，如图4所示。交流三相380V整流滤波后母线电压Udc=550V，输出变压器变比N为2，调制波频率为50Hz，输出给定值为0.8，开关频率fs=10KHz，输出滤波电感L=50UH，输出滤波电容C=200UF，负载采用5KW阻性负载。
图4 系统仿真模型Fig.4 System Simulation Model
式中：Jk表示k阶贝塞尔函数。从式（1）可以看出，逆变器输出电压中的高次谐波分布在整数倍的载波频率附近，在所有高次谐波中，载波频率谐波是幅值最大的谐波，对逆变器输出电压波形的影响最大［8］。采用同相PWM控制方式时，逆变器输出电压为：
图5为分别采用双极性电压环反馈控制和同相三环反馈控制时的相电压频谱图，不难看出，同相双极性调制时的谐波次数主要在200次附近，双极性调制的谐波次数主要在400次附近。由仿真结果可知，采用同相调制时，谐波次数是同相调制的两倍，这有利于变压器及输出滤波器的设计。
图5 两种控制策略输出电压频谱图Fig.5 The output voltage spectrum graph of this two scheme
3.2.2动态特性
在三环反馈控制结构中，电容电流控制内环对包含在环内的各种扰动如非线性负载，死区时间、温度漂移、突加突减等能起到及时的调节作用，因此能够有效的提高了系统的动态特性［9］。图6为分别采用双极性单环调制和同相三环调制时新旧两种方法突加突减5KW阻性负载时得到波形，由图6可知，新的控制方法加、减载时输出电压波动小，调整速度快。
3.2.3稳定性
单一的电压瞬时值反馈控制在空载时输出电压易发生振荡，因而输出电压波形品质不是很好。在新的控制策略中， 电流环具有将滤波电容电流改造为可控的电流源的作用，使控制输入和输出电压间的二阶传递函数变为具有单极点的传递函数，因而系统稳定性能大大提高［10］，电容电压控制外环用于确保输出电压跟踪正弦参考电压。新旧两种方法输出电压、电流波形示于图7。
图6 两种控制策略输出动态电压Fig.6书The output dynamic voltage of this two scheme
图7 两种控制策略稳态输出电压及电流波形Fig.7 The stabile output voltage and current wave of this two scheme
4. 结论
从仿真结果可知，本文提出的同相三环反馈控制策略继承了同相PWM调制技术与三环反馈控制方法的优点，总结如下：（1）在开关频率不变时，控制策略使等效开关频率提高到原来的2倍，具有更好的谐波特性。（2）电容电压及电流瞬时值控制环增加了负载电流对输出的扰动，有效的提高了系统的动态特性。（3）稳定特性更好， 具有更好的输出电压波形。（4）带电压瞬时值反馈控制的双极性PWM调制技术在高压大功率级联型变换器已有很成熟的应用，新方案只需增加两路输出采样，就可以在原有系统硬件不变的基础上，对软件算法做相应更改来实现，具有重要的现实意义。
［1］A V Jouanne，P N Enjeti，D J Lucas. DSP control of highpower UPS systems feeding nonlinear loads［J ］.IEEE Trans.Ind. Electron.，1996，43（1）：121-125.
［2］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，2002：152-154.
［3］刘凤君.正弦波逆变器［M］.北京：科学出版社，2002：135-138.
［4］王鸿雁，陈阿莲，邓焰等.基于控制自由度组合的电平逆变器载波PWM控制方法［J］.中国电机工程学报，2004，24（1）：131-135.
［5］N M Abdel2Rahim，J E Quaicoe. Analysis and design of amultiple feedback loop control strategy for singlephase voltagesource UPS inverters［J］.IEEE Trans. Power Electron.，1996，11（4）： 5322541.
［6］徐银泉.恒压恒频单相桥式逆变器的三种SPWM 控制策略［J］.电气传动，1986，（6）：31-34.
［7］谢力华，苏彦民.正弦波逆变器的数字控制技术［J］.电力电子技术，2001，（6） .
［8］李爱文，张承慧.现代逆变技术及其应用［M］.北京：科学出版社，2000.
［9］陈道炼.DC-AC 逆变技术及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2005.
［10］王晓寰，冯建周.正弦波逆变器的DSP数字控制技术研究［J］.通信工程，2006，（9）.
龙庆文（1983-），男，江西吉安人，2009年7月硕士毕业于湖南大学电力电子专业，现供职于广州无线电集团，主要从事大功率逆变电源、开关电源相关研制工作。
