电压控制逆变器电压控制逆变器.docx

电压控制逆变器The voltage control inverter为了获得高性能的逆变器，设计控制器的控制目标包括提高输出电压稳态和动态性能2个方面。目前，有关逆变器的控制方法除了工程应用成熟的PID控制［1-2］外，主要还有重复控制［3-4］、滑模控制［5-6］、无差拍控制［7-8］、模糊控制［9-10］及各种复合控制［11-14］等，这些控制方法在提高输出电压的稳态精度和负载变化时的动态响应方面，取得了一定的研究成果。然而以上控制方法主要从输出端考虑，很少考虑输入端对输出的影响，以电压源逆变器为例，以上控制方法在设计时一般都把直流输入电压看作恒定不变的。实际情况是，直流输入电压由于前级不可控整流或本身输入电压不稳定的影响并不是恒定直流，另外负载电流中若含有谐波也会在直流输入电压上产生谐波电压［15］。此外，以上控制方法中除了PID控制，大部分控制方法由于其复杂控制算法只能用数字控制来实现，且因条件限制不能很好地广泛应用于实践。为此，本文以常见的单相全桥逆变器为例，在传统电压模式基础上，提出了一种前馈型电压模式控制方案，控制原理上利用开关变换器稳态输入／输出占空比关系构造变换器的控制方程，引入输入电压前馈使得其波动不会对输出电压产生影响，同时在无积分反馈环节下输出电压就能稳定跟踪参考信号，避免了PID控制中为提高稳态精度而引入积分环节造成系统稳定性下降和动态性能滞后的影响。控制实现上采用输入电压积分电路来求解方程中的开关占空比，控制电路结构简单，便于用模拟电路实现。进行了性能分析并与采用传统PID控制的逆变器模型进行比较，理论分析表明前馈型电压模式控制逆变器具有稳态跟踪性能好、抗输入电压扰动以及对负载跳变动态响应好的优点。进行了仿真对比并设计了2种控制方法的模拟电路进行实验验证，结果表明理论分析的正确性和前馈型电压模式控制的有效性。1前馈型电压模式控制逆变器原理本文研究的对象为单相全桥电压源逆变器，如图1所示。4只功率开关管分为2组，其中VT1和VT4为一组，VT2和VT3为一组，输入直流电压ui经2组开关交替导通和关断，得到输出交流方波电压ud，再经LC低通滤波器后得到交流正弦输出电压uo。假设负载为纯电阻负载，同时忽略电感和电容的串联等效电阻。要使输出电压uo跟踪参考电压信号uref，最基本的控制方法是电压模式闭环反馈PID控制，一般需要引入积分环节来提高稳态精度，仅有比例环节很难实现输出电压稳定跟踪，但是引入积分环节又会带来一些问题，如降低系统稳定性和影响动态性能。此外，在输入端由于实际逆变器中直流输入电压并不是恒定不变的，在仅有反馈的情况下输出电压受输入电压波动的影响。为此，在传统电压模式结构基础上，考虑在无积分环节时仍能保证输出电压的稳态精度，同时引入输入电压前馈来消除其波动对输出电压的影响。本文所提前馈型电压模式控制原理如图2所示，在PWM时引入输入电压前馈，由于稳态时输入／输出电压在一个开关周期存在固有的占空比关系，因此由输入／输出电压可以利用PWM比较器和积分复位电路得到稳态占空比，即稳态时可得d=g（ui，uo），从而确保稳态时输出电压的偏差e经比例微分环节得到的控制信号ucon1恒为零，即在引入输入电压前馈的同时使得在无积分反馈环节时输出电压仍能保证较好的稳态精度。在动态调节时，d=g（ui，uo）+f（ucon1），输出电压偏差得到的控制信号ucon1不为零，从而起到反馈调节占空比的作用。具体控制原理推导如下。如图3中电压模式PWM波形图所示，锯齿波周期为Ts。设在一个开关周期内，开关VT1和VT4导通时间为ton，则开关VT2和VT3导通时间为Ts-ton，开关占空比为d=ton／Ts。假设开关频率足够高，则当图1中逆变器工作在稳态时，在一个开关周期Ts内，电感L电压可近似看作伏秒平衡，可得：其中，d的范围为0≤d≤1。式（3）即逆变器工作在稳态时输入／输出占空比关系，又由式（3）成立，可以构造控制方程为：控制实现上关键是如何求解式（4）中的占空比，不难想到式（4）左边项可采用输入电压在一个开关周期内积分得到，并作为PWM比较器的负输入端，右边项则作为反馈控制信号接到PWM比较器的正输入端，当正、负输入端相等时，即得到满足式（4）的占空比。具体实现过程如下。在一个开关周期对输入电压的采样βui乘以系数2，经积分复位再与βui相减即得到PWM比较器的负输入端信号u-，其中复位信号为每个周期末到来的窄脉冲信号，即：由式（6）可知，负输入端信号u-在一个开关周期内以斜率2βui／Ts线性上升，在周期末又复位到零，由此得到图3中所示锯齿波信号usaw，即usaw=u-，由式（6）易得锯齿波信号usaw在一个开关周期内由-βui上升到+βui，则图3中所示其幅值为UM=βui。对于PWM比较器的正输入端信号