單相電壓源型逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計

單相電壓源型逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：大量UPS系統(tǒng)在為許多不允許供電中斷的重要用電設(shè)備提供不間斷供電，研發(fā)UPS的關(guān)鍵便是電壓源型逆變器，控制輸出高質(zhì)量電壓波形，且?guī)Х蔷€性負(fù)載和負(fù)載突變的情況下，仍能保持電壓的穩(wěn)定和高質(zhì)量。本文的主要內(nèi)容是研究單相電壓源型逆變器，采用電壓電流雙環(huán)瞬時值反饋控制技術(shù)，并詳細(xì)討論了基于極點配置的雙環(huán)PI控制參數(shù)的整定。同時提出單環(huán)超前滯后電壓瞬時值反饋控制，并做了大量仿真研究，顯示這兩種控制方式都具有優(yōu)越的控制性能。關(guān)鍵詞：雙環(huán)控制；極點配置；超前滯后；電壓源型逆變器Thecontrolsystemdesignofsingle-phasevoltagesource

inverterAbstract：UninterruptiblePowerSupply(UPS)systemsarewidelyusedforsupplyingcriticalequipmentwhichcan’affordutilitypowerfailure.ThecoreofaUPSsystemisainverterwhichControltheoutputvoltagewaveformwithhighquality.Evenconnectedwithnonlinearloadandmutationalload,itstillcanmaintainthestabilityofvoltageandthequality.thispaperistostudythesingle-phasevoltagesourceinverter,adoptingtheinstantaneousvaluesofvoltageandcurrentdouble-loopfeedbackcontroltechnology.Thedual-loopPIcontrolparameterssettingbasedonpoleassignmentisdiscussedindetail.Atthesametimesingle-loopinstantaneousvoltagevaluewiththelead-lagcontrolstrategy.Andlotsofsimulationhavebeenachieved.AinverteristhecoreofaUPSsystem.Toachievenearlysinusoidaloutputvoltageevenwithnonlinearloads,manywaveformcorrectiontechniqueshavebeenproposed.ThisdissertationfocusesontheresearchoftheinstantaneousfeedbacktechnologyofPWMinverters.Bothcontrolmethodsshowexcellentperformance.Keywords:dual-loopcontrol；PWMinverter；CVCF；lead-lagcontrolstrategy圖1單相全橋PWM逆變器主電路原理圖「n「0一一1一u圖1單相全橋PWM逆變器主電路原理圖「n「0一一1一u—.0+1u+Cl—rLi」LL」L0」i0（1）能源的緊張，讓人們越來越重視能源利用的高效性。電能成為生產(chǎn)生活使用最直接最重要的能源，在電能的生產(chǎn)、傳輸和利用過程中，高效利用電能離不開電能變換；同時高精密設(shè)備對電能穩(wěn)定性和高質(zhì)量的要求，也迫切需要電力電子電能變化的迅速發(fā)展。對于逆變電源的控制策略,可以采用重復(fù)控制、無差拍控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制或者PID控制。但是現(xiàn)實實際應(yīng)用中，現(xiàn)今普遍采用的電壓電流雙環(huán)控制，分為電感電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)和電容電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)兩類，由于電感電流閉環(huán)沒有把負(fù)載電流包括在內(nèi)，導(dǎo)致系統(tǒng)對擾動敏感，所以本文重點研究了單相逆變器電容電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)雙環(huán)控制系統(tǒng)特性。2單相全橋PWM逆變器數(shù)學(xué)模型單相全橋PWM逆變器主電路原理圖如圖1所示，交流輸出側(cè)由濾波電感L與濾波電容C構(gòu)成低通濾波器，r為考慮濾波電感L的等效串聯(lián)電阻、死區(qū)效應(yīng)、開關(guān)管導(dǎo)通壓降、線路電阻等逆變器中各種阻尼因素的綜合等效電阻，直流母線電壓Udc，逆變器輸出電壓ur，流過濾波電感的電流il,負(fù)載電壓電流為u0、i0.2.1單相逆變器連續(xù)域數(shù)學(xué)模型將輸出電壓uo和電感電流il作為狀態(tài)變量，ur和i0分別為輸入量和擾動量，輸出電壓uo為輸出量，可以得到逆變器輸出濾波器線性雙輸入、單輸出狀態(tài)空間模型，其在連續(xù)域下的狀態(tài)方程可以表示為:根據(jù)單相全橋PWM逆變器數(shù)學(xué)模型做出系統(tǒng)框

圖，如圖2.2圖2單相全橋PWM逆變器系統(tǒng)框圖由狀態(tài)空間平均模型可以推導(dǎo)出雙輸入同時作

用時系統(tǒng)的S域輸出響應(yīng)關(guān)系式：

1「，、Ls+rUo(s)=LCS2+rCs+1r(s)—LCS2+rCs+由狀態(tài)空間平均模型可以推導(dǎo)出雙輸入同時作

用時系統(tǒng)的S域輸出響應(yīng)關(guān)系式：

1「，、Ls+r3逆變器的雙環(huán)PI控制

低頻段高增益，可以輸出電壓快速跟蹤給定電壓，保證穩(wěn)態(tài)誤差要求，并且以-20dB衰減，滿足低頻段特性；中頻段有一定寬度，保證適當(dāng)?shù)南嘟窃６?，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性能；高頻段以-40dB衰減，消弱高頻噪聲影響，改善系統(tǒng)動態(tài)性能。-180101010101010-180101010101010Frequency(rad/sec)圖5電壓電流雙環(huán)閉環(huán)控制頻率特性3.1逆變器加入雙環(huán)控制圖5電壓電流雙環(huán)閉環(huán)控制頻率特性逆變器在采用電容電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制策略時，系統(tǒng)框圖如下：

從波特圖可以看出低頻段增益相角穩(wěn)定高頻衰減很快，控制系統(tǒng)設(shè)計良好。3.3基于極點配置的雙PI參數(shù)的整定加入雙環(huán)PIPI控制后，系統(tǒng)傳遞函數(shù)如下KKs+(KK+KK)s+KKU(s)=v^v^ip^^^U(s)0LCs+(rC+KC)s+(KK+KC+1)2+(KK+KK)s+KKwipvpipiivpiiviip加入雙環(huán)PIPI控制后，系統(tǒng)傳遞函數(shù)如下KKs+(KK+KK)s+KK—vpipvpiiipviviiiI(s)LCs+(rC+KC)s+(KK+KC+1)s+(KK+KK)s+KK0

ipvpipiivpiiviipviii(3)特征方程3.2控制系統(tǒng)設(shè)計采用雙環(huán)控制，電流環(huán)PI閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)逆變器主電路二階傳遞函數(shù)，在打開電壓閉環(huán)后，此時開環(huán)傳遞函數(shù)頻域特性如下圖3：圖4電壓開環(huán)電流閉環(huán)傳遞函數(shù)頻率特性

D(s)=LCs+(rC+KC)s+(KK+KC+1)f?+(KK+KK)s+KKipvpipiivpiiviipviii(4)特征方程(4)的4個根就是系統(tǒng)的4個閉環(huán)極點。閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能、穩(wěn)定性主要由閉環(huán)極點壓平面的分布位置決定，對于一個高階(高于二階)系統(tǒng)，其動態(tài)特性主要由閉環(huán)主導(dǎo)極點決定。如果根據(jù)控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)確定了閉環(huán)系統(tǒng)主導(dǎo)極點希望位于S1,2=W土沁尸，其中°、①”分別為希望的阻尼比和自然頻率，那么閉環(huán)非主導(dǎo)極點，可以選取丁一心n、丁一*n，式中口5是正的常數(shù)，n、m的取值越大，則由四個極點確定的四階系統(tǒng)響應(yīng)特性越接近由閉環(huán)主導(dǎo)極點決定的二階系統(tǒng)一般n、m=5~10時均可，由此得到了滿足動態(tài)性能要求的希望的閉環(huán)系統(tǒng)特征方程：D(s)=(s2+2爭s+w2)-(s+m3)?(s+n°w)(5)可以用極點配置方法算:得：

rGKC=aiP3KK+KC^1=aKkX"KK=rGKC=aiP3KK+KC^1=aKkX"KK=aviii0a=LC(2+m^n加a=Lqi+(2mb2n+mn&2]?2<2na=LC(m+n+2mn^2)^01a=LCmn2040n(6)(7)圖8超前滯后校正后閉環(huán)傳遞函數(shù)基于極點配置方法設(shè)計的逆變器瞬時電壓電流瞬時值雙環(huán)反饋PIPI控制器參數(shù)，PIPI控制器參數(shù)的選擇直接與閉環(huán)系統(tǒng)的性能指標(biāo)建立了量化關(guān)系設(shè)計過程概念清晰，簡潔明了。5實驗仿真結(jié)果單相逆變器主要參數(shù)如下:4電壓環(huán)串聯(lián)校正超前滯后控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)框圖設(shè)計如下:直流側(cè)電壓額定輸出電壓負(fù)載輸出濾波電感等效阻尼電阻輸出濾波電容PWM開關(guān)頻率U=400VUdc=220V

R=50QL=5mlr=0.10C=10pFf=10kHz超前滯后傳遞函數(shù)設(shè)計如下：G=K(1+"%v(1+T]S)(1+T2s)(8)適當(dāng)選取參數(shù)Ta、Tb、T1、T2、K,調(diào)整系統(tǒng)相角裕度和開環(huán)增益，如圖(8)5.1電流電壓雙環(huán)控制仿真取值希望阻尼比Z=0.7，自然頻率，n=10，m=10，根據(jù)式5、式6、式7計算解得：K=0.81K=1824K=26.4K.=317000,仿真逆變器負(fù)載側(cè)輸出電壓和給定電壓跟隨效果如下：圖7超前滯后控制系統(tǒng)設(shè)計圖9圖7超前滯后控制系統(tǒng)設(shè)計圖9雙環(huán)控制輸出波形(9)在添加校正系統(tǒng)之前，相角裕度只有5°，穩(wěn)定性很差，加入串聯(lián)校正，采用超前滯后傳遞函數(shù)，調(diào)整相角裕度可以達(dá)到45°。得到閉環(huán)系統(tǒng)如下：5.2電壓環(huán)串聯(lián)校正超前滯后控制系統(tǒng)仿真根據(jù)圖7波特圖分析設(shè)計，選擇GvG=100(s+2e3)(s+4e3)v(s+5e2)(s+2e4)仿真得到逆變器輸出電壓跟隨給定電壓，如圖10：圖10超前滯后控制輸出電壓6結(jié)論本文通過給定電路參數(shù)設(shè)計電壓電流雙環(huán)瞬時值反饋控制的pi參數(shù)，并做了大量仿真和調(diào)試，同時做出開環(huán)、閉環(huán)傳遞函數(shù)波特圖，對其頻域特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，實驗驗證了基于極點配置的雙環(huán)控制的穩(wěn)定性和可靠性。然后提出單環(huán)串