LC型逆变器稳定性分析与输出电压质量提高策略的研究.pdf

中文摘要 摘 要 LC 滤波的电压控制型电压源逆变器广泛应用于分布式发电系统、不间断电源、 高压直流输电等领域中。LC 滤波器的二阶谐振和数字控制延时深刻影响了逆变器 闭环控制系统的稳定性。非线性负载接入LC 型逆变器，使其输出电压畸变。本文 以基于准比例谐振电压控制器的单相全桥LC 型逆变器为研究对象，针对其稳定性 和输出电压畸变问题展开研究。 本文讨论了LC 滤波器谐振频率在0 至Nyquist 频率范围内不同控制结构的LC 型逆变器闭环控制系统的稳定性，给出了各自的稳定区域和稳定条件。当 LC 滤波 器谐振频率在 1/3 采样频率以上时，调整电压控制器中的比例系数至 1/3 采样频率 处的环路增益小于 1 即可使得单闭环控制的LC 型逆变器稳定运行。 当 LC 滤波器谐振频率小于 1/3 采样频率时，利用电流内环阻尼谐振尖峰能够 有效地稳定系统。考虑数字控制延时，电流内环并非等效为纯电阻，而是和频率 相关的与 LC 滤波器中无源器件串联的阻抗，该阻抗在阻尼谐振尖峰的同时也改变 了 LC 滤波器的谐振频率。LC 滤波器实际谐振频率处等效阻抗为正电阻特性时， 双闭环控制系统才可能稳定。本文根据 LC 滤波器谐振频率划分稳定区域，结合 Nyquist 稳定判据给出稳定条件。 电容电压线性微分反馈可以替代电容电流比例反馈，本文讨论了基于常用数 字微分器电容电压微分反馈内环电压外环双闭环控制策略的稳定性。使用超前补 偿器补偿后向差分微分器的相位滞后，得到了接近理想微分特性的改进型数字微 分器。根轨迹图说明了基于改进型数字微分器的电容电压微分内环电容电压外环 双闭环控制结构的频率特性和电容电流内环电容电压外环双闭环控制结构的频率 特性几乎相同，即说明了二者的稳定特性基本相同。 针对 LC 型逆变器带非线性负载输出电压畸变的问题，建立了双闭环控制的 LC 型逆变器输出阻抗模型，揭示了输出电压畸变的机理，从输出阻抗重塑的角度 研究提高 LC 型逆变器输出电压质量的控制策略。本文再认识了谐振控制器的频率 特性，充分利用其在给定频率能够补偿任意幅值相位的特性，设计了多谐振前馈 控制策略，并给出了前馈策略参数设计方法，将谐波频率处的阻抗增益补偿到接 近于 0 ，降低了负载电流对输出电压的影响，提高了输出电压质量。 在 PSIM 仿真软件和硬件原理样机上实施实验，实验结果验证了本文所给结论 的正确性。本文的稳定性分析结论和输出电压质量提高策略同样适用于三相LC 型 逆变器，同时，稳定性分析方法对 LC 型逆变器带载鲁棒性分析也有参考意义。 关键词：LC 滤波器；电压控制型逆变器；稳定性分析；输出阻抗；数字微分器 I 英文摘要 Abstract Voltage-controlled voltage source inverters with LC-filters are widely used in distributed power generation systems, uninterruptible power supplies, and high-voltage direct current transmission systems. The second-order resonance of the LC filter and the delay of digital control profoundly affect the stability of the inverter closed-loop control system. In addition, a large number of non-linear loads are connected to the LC-type inverter, causing the output voltage to be dis