單相電壓源型逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上單相電壓源型逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)配置；超前滯后；電壓源型逆變器The control system design of single

2、-phase voltage source inverterAbstract: Uninterruptible Power Supply (UPS) systems are widely used for supplying critical equipment which cant afford utility power failure. The core of a UPS system is a inverter which Control the output voltage waveform with high quality. Even connected with nonline

3、ar load and mutational load, it still can maintain the stability of voltage and the quality. this paper is to study the single-phase voltage source inverter, adopting the instantaneous values of voltage and current double-loop feedback control technology. The dual-loop PI control parameters setting

4、based on pole assignment is discussed in detail. At the same time single-loop instantaneous voltage value with the lead-lag control strategy. And lots of simulation have been achieved.A inverter is the core of a UPS system. To achieve nearly sinusoidal output voltage even with nonlinear loads,

5、many waveform correction techniques have been proposed. This dissertation focuses on the research of the instantaneous feedback technology of PWM inverters. Both control methods show excellent performance.Keywords: dual-loop control；PWM inverter；CVCF；lead-lag control strategy專心-專注-專業(yè)1 引言能源的緊張，讓人們越來越

6、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(shí)實(shí)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(diǎn)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

7、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.圖1 單相全橋PWM逆變器主電路原理圖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：（1）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)

8、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：（2）可以看出傳遞函數(shù)的特征方程是一個二階欠阻尼系統(tǒng)，阻尼很小，在高頻段會-40dB衰減。3 逆變器的雙環(huán)P I控制3.1 逆變器加入雙環(huán)控制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：圖3 雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)

9、的相角裕度，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。電流電壓同時閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，閉環(huán)傳遞函數(shù)頻率特性如下圖：圖5 電壓電流雙環(huán)閉環(huán)控制頻率特性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(jì)良好。3.3 基于極點(diǎn)配置的雙PI參數(shù)的整定加入雙環(huán)控制后，系統(tǒng)傳遞函數(shù)如下（3）特征方程（4）特征方程（4）的 4個根就是系統(tǒng)的 4個閉環(huán)極點(diǎn)。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(diǎn)在s 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(diǎn)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(diǎn)希望位于，其中、分別為希望的

10、阻尼比和自然頻率，那么閉環(huán)非主導(dǎo)極點(diǎn)，可以選取 、，式中 n 、是正的常數(shù)，n 、的取值越大，則由四個極點(diǎn)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(diǎn)決定的二階系統(tǒng)，一般 n、=510 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：（5）可以用極點(diǎn)配置方法算得： （6） （7）基于極點(diǎn)配置方法設(shè)計(jì)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(jì)過程概念清晰，簡潔明了。4電壓環(huán)串聯(lián)校正超前滯后控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如下：圖6 電壓環(huán)串聯(lián)校正超前滯后控制系統(tǒng)框圖超前滯后傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)如下： （8）適當(dāng)選

11、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7所示，提高相角裕度。圖7 超前滯后控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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：圖8超前滯后校正后閉環(huán)傳遞函數(shù)5實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果單相逆變器主要參數(shù)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 開關(guān)頻率 5.1電流電壓雙環(huán)控制仿真取值希望阻尼比=0.7，自然頻率 ，根據(jù)式5、式6、式7計(jì)算解得：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9 雙環(huán)控制輸出波形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(jì)，選擇Gv （9）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(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于極點(diǎn)配置的雙環(huán)控制的穩(wěn)定性和可靠性。然后提出單環(huán)串聯(lián)超前滯后校正，并根據(jù)波特圖設(shè)計(jì)出詳細(xì)參數(shù)，大量的仿真證明了這種控制的可行性。參考文