基于电容电流内环的单相逆变器控制策略研究

2022-08-17王文兵

通信电源技术 2022年7期

王文兵，王凯，张华

（1.合肥同智机电控制技术有限公司，安徽合肥 230000；2.中国人民解放军32382部队，北京 100071；3.陆军装备部驻南京地区军事代表局驻合肥地区军事代表室，安徽合肥 230000）

0 引言

随着电力电子技术的不断发展，逆变电源在多种场合得到了广泛应用，相关行业不但要求逆变电源带电阻负载的稳态输出波形呈正弦化，而且对逆变电源的动态特性、带非电阻负载特性也提出了更高的要求。目前，开环逆变器已经无法满足上述要求，闭环控制策略一般采用双环控制方案，分别是电压外环与电流内环。电流内环一般采用平均值电流控制，目前有两种方案，分别采用检测滤波电感电流和电容电流作为反馈[1,2]。带线性负载时，逆变器电感电流控制方式可以提高输出电压波形质量，具有很强的抗负载短路能力。需要注意的是，电感电流内环对负载扰动作用不明显，特别在逆变电源带非电阻负载时，输出波形不太理想[3,4]。随着民用与军工场所对计算机通信用整流设备的广泛应用，相应地，对逆变器带整流性设备负载也提出了更高的技术要求。相关学者提出了以电容电流为反馈变量的逆变器控制策略技术，基于这种控制策略设计的逆变电源能够提高带整流性的负载能力，在各种负载下的逆变器输出特性（例如输出电压波形、动态响应速率）得到明显改善。其中，比例积分微分（Proportional Integral Derivative，PID）控制算法一直以来广泛应用于逆变控制策略中。近年来，人们提出了多种控制算法，例如基于无差拍控制、基于重复控制、预计模糊控制等，这些算法的某一环节中均会涉及PID控制算法[5-10]。

1 单相全桥逆变器基本工作原理

单相全桥逆变器电路的基本结构如图1所示，直流侧电压U1经过脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）调制后产生桥侧电压U2，U2通过电感电容（Inductive Capacitance，LC）滤波器得到输出电压U0，电路等效电阻为r，电感为L，电容为C，负载为R。

图1 单相全桥逆变器电路

输出电压可以用s域传动函数模型表示，故逆变器U1到U0的传递函数为：

式中：i0为负载电流。

空载时不考虑等效串联电阻r，传递函数可以简化为：

由于等效串联电阻r的值很小，逆变器空载时可以近似为一个二阶无阻尼震荡系统，震荡最为剧烈且控制难度最大，因此控制系统的设计必须基于空载来进行。

2 电容电流内环控制策略

采用电压环与电流环双闭环控制策略，电压环外环采用输出电压的瞬时值，电流环内环采用滤波电容电流ic作为内环控制反馈量。由于电容电流是输出电压的微分，通常代表输出电压的变化趋势，具有前馈的特性，因此电压环的动态响应时间会比电流环的长。ic被控制相当于提前对Uc电压变化进行校正，控制环路对负载的扰动变化反应很快，能够同时达到增强带载能力和改善系统动态响应性能的目的，但缺点是不能对逆变器进行有效的限流保护。

逆变器控制结构如图2所示。通过给定电压Ur与输出电压U0进行比较获取电压误差，经过调节器Gv产生电流环内环给定电流参考值iir，将iir与电容电流内环反馈电流ic进行比较得到电流误差信号，再经过调节器Gi形成控制量U2，根据控制量产生PWM输出驱动信号，实现对逆变器的驱动控制。

图2 逆变器控制结构

电压外环与电流内环均采用数字比例积分（Proportional Integral，PI）控制器，其z域传递函数分别为G：

式中：kpv和kiv为电压环的比例系数与积分系数；kpi和kii为电流环的比例系数与积分系数。

3 MATLAB仿真

运用MATLAB/Simulink对该控制系统进行建模仿真，仿真参数为直流侧输入电压400 V，输出电压有效值220 V，主电路电感700 μH，电容33 μF，额定负载1.5 kW，开关频率12.5 kHz。逆变器带电阻负载仿真波形如图3（a）所示，带整流性负载波形如图3（b）所示。

图3 逆变器带载仿真波形

带电阻负载时，逆变器输出电压波形良好。而带整流性负载时，逆变器输出电流峰值已经高于带电阻负载电流峰值，输出电压波形仅波峰处出现一点畸变。

4 样机实验

为了验证理论研究的可行性，以TMS320F28069为控制器设计了一台1.5 kW的样机，系统参数如表1所示。

表1 样机参数

样机空载波形如图4（a）所示，样机带电阻负载波形如图4（b）所示，样机带整流性负载波形如图4（c）所示。

图4 样机带载仿真波形

样机空载和带电阻负载情况下的电压与电流波形均良好，而带整流性负载时的稳态电流尖峰值已经大于带电阻负载电流峰值，电流纹波加大且输出电压有一定消顶。使用功率分析仪测试不同情况下的电压总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD），结果如图5（a）、（b）、（c）所示，分别为0.67%、0.68%以及1.55%。