單相電壓源型逆變器控制系統(tǒng)設計

單相電壓源型逆變器控制系統(tǒng)設計摘要：大量UPS系統(tǒng)在為許多不允許供電中斷的重要用電設備提供不間斷供電，研發(fā)UPS的關鍵便是電壓源型逆變器，控制輸出高質量電壓波形，且?guī)Х蔷€性負載和負載突變的情況下，仍能保持電壓的穩(wěn)定和高質量。本文的主要內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，并詳細討論了基于極點配置的雙環(huán)PI控制參數的整定。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)systemsarewidelyusedforsupplyingcriticalequipmentwhichcant'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-lagcontrolstrategy1引言能源的緊張，讓人們越來越重視能源利用的高效性。電能成為生產生活使用最直接最重要的能源，在電能的生產、傳輸和利用過程中，高效利用電能離不開電能變換；同時高精密設備對電能穩(wěn)定性和高質量的要求，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,可以采用重復控制、無差拍控制、滑模變結構控制或者PID控制。但是現(xiàn)實實際應用中，現(xiàn)今普遍采用的電壓電流雙環(huán)控制，分為電感電流內環(huán)電壓外環(huán)和電容電流內環(huán)電壓外環(huán)兩類，由于電感電流閉環(huán)沒有把負載電流包括在內，導致系統(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逆變器數學模型單相全橋PWM逆變器主電路原理圖如圖1所示,交流輸出側由濾波電感L與濾波電容C構成低通濾波器,r為考慮濾波電感L的等效串聯(lián)電阻、死區(qū)效應、開關管導通壓降、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Ude，逆變器輸出電壓ur,流過濾波電感的電流il,負載電壓電流為uO、i0.L圖L圖1單相全橋PWM逆變器主電路原理圖單相逆變器連續(xù)域數學模型01_「0一「11uCu—.0=10+1u+Cirir_0_1-i丄—~~——i_L__LL_將輸出電壓uo和電感電流il作為狀態(tài)變量，ur和iO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：i(1)O根據單相全橋PWM逆變器數學模型做出系統(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出雙輸入同時作用時系統(tǒng)的S域輸出響應關系式：U(s)=oLCS2h+1Ur(S)-LcH+11o由狀態(tài)空間平均模型可以推導出雙輸入同時作用時系統(tǒng)的S域輸出響應關系式：U(s)=o2)2)尼系統(tǒng)，阻尼很小，在高頻段會-40dB衰減。3逆變器的雙環(huán)PI控制逆變器加入雙環(huán)控制逆變器在采用電容電流內環(huán)電壓外環(huán)控制策略時系統(tǒng)框圖如下：3.2控制系統(tǒng)設計采用雙環(huán)控制，電流環(huán)PI閉環(huán)控制，調節(jié)逆變器主電路二階傳遞函數，在打開電壓閉環(huán)后，此時開環(huán)傳遞函數頻域特性如下圖3：圖4電壓開環(huán)電流閉環(huán)傳遞函數頻率特性

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調節(jié)，閉環(huán)傳遞函數頻率特性如下圖：-180101010101010Frequency(rad/sec)圖5電壓電流雙環(huán)閉環(huán)控制頻率特性-180101010101010Frequency(rad/sec)圖5電壓電流雙環(huán)閉環(huán)控制頻率特性3.3基于極點配置的雙PI參數的整定TOC\o"1-5"\h\z加入雙環(huán)PIPI控制后，系統(tǒng)傳遞函數如下…、 KKs2+(KK+KK)s+KK …，U(s)= VF~ipVF~ii vT~H U(S)0 LC4s+(rC+KC)s3+(KK+KC+1)s2+(KK+KK)s+KK0ref\o"CurrentDocument"ip vpipii vpiiviip viiiKKs2+(KK+KK)s+KK— vpipvpiiipviviii I(s)LC4s+(rC+KC)s3+(KK+KC+1)s2+(KK+KK)s+KK0ip vpipii vpiiviip viii(3)特征方程Us)=LCs+(rC+KC)s+(KK+KC+1)；2+(KK+KK)s+KKip vpipii vpiiviipviii(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)響應性能、穩(wěn)定性主要由閉環(huán)極點奮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)主導極點決定。如果根據控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標確定了閉環(huán)系統(tǒng)主導極點希望位于s二一匚①土j?1—匚2r&1,2 「八 ，其中°、 n分別為希望的阻尼比和自然頻率，那么閉環(huán)非主導極點，可以選s二—m3 s二—nC?取3 n、4 n，式中n、m是正的常數，n、m的取值越大，則由四個極點確定的四階系統(tǒng)響應特性越接近由閉環(huán)主導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°?s+?2)-(s+mC?)-(s+nC?)(5)r nn可以用極點配置方法算得：rdKC=aip3KK+KQl=avpipii 2KK+KK=rdKC=aip3KK+KQl=avpipii 2KK+KK=avpiiviiplKK=aviii0a=LC(2+m+n"3 na=Lqi+(2m+2n+mng2]?2< 2 na=LC(m+n+2mn^2工lna=LCm@2?40n6)200(dB-20itnudg-40gaM-60-80450-45-90-135101010Frequency(rad/sec)10圖8超前滯后校正后閉環(huán)傳遞函數7)-18010基于極點配置方法設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，PIPI控制器參數的選擇直接與閉環(huán)系統(tǒng)的性能指標建立了量化關系，設計過程概念清晰，簡潔明了。5實驗仿真結果單相逆變器主要參數如下：4電壓環(huán)串聯(lián)校正超前滯后控制系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)框圖設計如下：直流側電壓額定輸出電壓負載U=400VUdc=220VR=500輸出濾波電感L=5ml等效阻尼電阻r=0.10輸出濾波電容C=10RFPWM開關頻率f=10kHz8)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設計如下：(1+Ts)(1+Ts)=K a b—(1+Ts)(1+Ts)12適當選取參數Ta、Tb、T1、T2、K,調整系統(tǒng)相角裕度和開環(huán)增益，如圖7所示，提高相角裕度。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,根據式5、式6、式7計算解得：K=0.81K,=1824K,=26.4,K=317000,vp vi ip ii仿真逆變器負載側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)設計在添加校正系統(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,調整相角裕度可以達到45°。得到閉環(huán)系統(tǒng)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)仿真根據圖7波特圖分析設計，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,如圖圖10超前滯后控制輸出電壓6結論本文通過給定電路參數設計電壓電流雙環(huán)瞬時值反饋控制的PI參數，并做了大量仿真和調試，同時做出開環(huán)、閉環(huán)傳遞函數波特圖，對其頻域特性進行了詳細分析，實驗驗證了基于