逆变器数控算法的研究与实现

-I--1-第1章绪论1.1引言DC/AC逆变器是将直流电能变换成交流电能的变流装置，给交流负载供电或与交流电网并网发电。逆变器可利用直流电（蓄电池、开关电源、燃料电池等）转换成交流电为电器提供稳定可靠的用电保障，如笔记本电脑、手机、手持PC、数码相机以及各类仪器等；逆变器在风能、太阳能领域还可与发电机配套使用，能有效地节约燃料、减少噪音，将风能、太阳能等可再生的绿色能源应用到生产和生活中，可以有效地解决能源危机和环境污染问题。逆变电源的负载可能具有不同的性质，如阻性负载、感性负载和整流型负载等，当某一负载投入运行时，特别是非线性负载，很可能引起逆变器的输出电压波形周期性畸变，谐波增加。谐波对供电系统的污染日益严重，他对各种电气设备都有不同程度的影响和危害[1]，其危害主要体现在以下几个方面：(1)谐波使公用电网的元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电以及用电设备的效率，大量的三次谐波电流流过中线时会使线路过热甚至发生火灾；(2)谐波会引起电机和变压器发热，振动加剧，运行效率降低；(3)谐波对电容器的影响和危害很大，其损害机理包括电效应、热效应和机械效应。在谐波作用下，内部介质更容易发生局部放电，电容内部发热和温升增加，电容的接线与外壳之间、内部极板之间可能产生机械共振引起介质的机械损耗；(4)谐波会导致某些继电器保护装置误动作，致使系统无法正常运行，还会使电气测量仪器失准，影响计量精度；(5)谐波干扰中的高次成分会对通讯、控制系统造成干扰，轻者产生噪音，重者导致信息丢失，造成系统无法正常工作。由此可见，逆变电源向各种负载提供高质量的电能具有重要的意义，这-2-样，也就逐渐显示出了逆变电源输出波形控制技术的重要性。总的来讲，逆变电源的输出波形质量包括以下两个方面的内容：(1)具有良好的稳态精度：在稳态下，输出波形畸变小即谐波含量低。(2)具有良好的动态特性：在负载扰动的情况下，输出波形的变化幅度小，调节过程迅速。因此，如何提高逆变电源输出波形的质量，研究逆变电源的各种先进控制技术，已经成为近年来国内外学者研究的热点。1.2逆变电源控制技术1.2.1控制技术的重要性对于逆变电源，在性能上除了需满足可靠性、体积、重量、效率、电磁兼容性(EMC)等基本指标之外，在供电质量方面首要的要求就是高质量的输出电压波形。对于由理想开关构成、并且只带线性负载的SPWM（SinePulseWidthModulation-正弦波脉冲宽度调制）逆变器，只要实施某种SPWM技术，不难获得理想的正弦波电压。然而实际运行中，有很多因素导致逆变电源输出波形产生畸变[2]，主要包括：(1)PWM(PulseWidthModulation－脉宽调制)调制方式和死区效应；(2)输出滤波器参数变化；(3)负载性质变化(尤其是整流型非线性负载)造成的强扰动。在逆变器应用场合，造成波形畸变的主要原因为负载性质变化和死区效应。非线性负载是影响逆变器输出电压波形质量的主要因素。非线性负载大多含有非线性元件，其伏安特性呈现非线性。对于这种负载，即使供电电压为标准的正弦波，负载电流也是严重畸变的，其中包含丰富的低次谐波。由于逆变器的输出阻抗不为零，所以这些低次谐波电流必然在逆-3-变器输出端产生谐波压降，导致输出电压波形畸变。如今逆变电源的负载大多是非线性的[3]，其中常见的是二极管整流型负载，如图1-1所示。+dV+--+inV+-outV1L2L2C1CR图1-1带非线性负载的全桥逆变器Fig.1-1Full-bridgeinverterwithnonlinearload分析图1-1所示的单相桥式逆变器带整流桥非线性负载的电路，整流桥开通时，电路含有两个电容和两个电感，根据电工理论基本知识，此时输入输出的传递函数为一个典型的四阶环节，可以由下式表示：4433221022101//sasasasaasbsbbsVsVsGinout(1-1)式中各系数与电路中各参数1L、1C、2L、2C和R有关。sG1表示一个四阶稳定的线性系统，设输入电压tvin为纯正弦信号，即ttvinsin，则输出电压jGtjGtvout11sin。显然，输出为正弦波，且相对输入信号有相移jG1，其幅值变为jG1。实际逆变电路中，输入电压tVin虽是由控制方式决定SPWM波，其中含有谐波分量，但谐波分量大都可被LC滤波器滤掉，所以输出电压仍具有较好的正弦度。整流桥关断时，电路中只含有滤波电路中的电感和电容，根据电工理论基础知识，此时输入输出的传递函数为典型的二阶环节，由下式表示：1/1/112112sCrsCLsVsVsGinout（1-2）-4-同理，其输出电压为jGtGtvjout22sin，稳态输出为一正弦波。可见整流桥通、断时，输出是两个不同幅值、不同相移的正弦波，对输入信号具有不同的响应。通过傅立叶分析可知，tvout中含有丰富的谐波分量，导致波形畸变。由此可以得知，波形畸变的原因是整流器的不同工作状态对应着不同拓扑的时间响应。人们曾经试图通过降低逆变器的输出阻抗来解决这一问题。一种做法是在逆变器输出端增设LC谐振支路，通过合理设置其谐振频率，可以做到对某一低次谐波的输出阻抗近似为零，从而将该谐波电流吸收掉。除此之外，通过提高开关频率来减小滤波电感也是一个办法。不过，这些基于滤波器的解决方案也有明显的缺点：前一方法对每一次谐波电流都要增设一个LC支路，这对于容量并非特别巨大的通用电源产品来讲，其体积、重量、成本都难以接受。后一方法则与此正好相反：对于小功率产品开关频率的确可以做得很高，但在大、中功率场合，受温升、效率等因素限制，开关器件工作频率不可能很高，此时减小滤波电感的做法就遇到了无法逾越的障碍。与以上方法相比，从控制的角度出发，通过引入输出电压的瞬时值反馈控制技术来抗御非线性负载扰动、抑制谐波是更合理的解决方案。逆变器控制技术的引入使逆变器系统的闭环输出阻抗相对开环大为降低，是一种通过控制手段降低输出阻抗的办法，这要比增设无源滤波元件或单纯的依赖提高开关频率优越得多[4,5]。除了非线性负载之外，实际PWM过程中为防止逆变器桥臂上下端元件直通短路而设置的死区也对波形质量有一定的影响。在死区期间上下两个元件皆处于关断状态，此时的桥臂输出电压不再由控制器决定，而是由当时的桥臂输出电流(即电感电流Li)方向决定。图1-2以全桥电路为例给出示意说明。-5-+dV+-1L1C2S1S3S4S1D2D3D4D+dV+-1L1C2S1S3S4S1D2D3D4D0Li(a)时的电流电路(a)Currentcircuitof0Li(b)0Li时的电流电路(b)Currentcircuitof0Li图1-2死区效应示图Fig.1-2Sketchmapofdead-time如果在死区期间电感电流为正（0Li），则此时电流是通过二极管D2、D3续流，实际的桥臂输出电压为负(见图1-2(a)，图中所绘的方向均为电压电流实际方向而非参考方向)。同样的，当电感电流为负（0Li），此时电流是通过续流二极管D1、D4续流，实际的桥臂输出电压极性为正(见图1-2(b))。从平均效果看，由于死区的存在，在实际的桥臂输出电压中相对于理想PWM，即不设死区时，添加了一项增量，使得理想PWM输出电压中叠加了一组高频脉冲。其幅值、重复频率与PWM脉冲相同，宽度等于死区时间，包络线为方波。后者的极性与逆变桥输出电流相反，其频率则为基波频率。显然，这一波形中含有开关频率以下的低次谐波，直接增加了输出电压的波形畸变。死区时间在一个开关周期中所占份量越大，对波形质量影响就越大。为了克服死区影响，可以采取各种补偿措施。不过，这些死区补偿措施对非线性负载的影响是无效的，不能代替控制技术。相反，控制技术作为一种闭环控制手段，可以抗御的扰动类型是多种多样的，它不仅能克服非线性负载的影响，同样也可以克服死区效应的影响。因此，采取了逆变器的控制技术后死区问题可以一并解决，一般无须再设置死区补偿措施。-6-1.2.2逆变电源的模拟控制和数字控制DC-AC变换部分的控制技术是逆变电源的关键部分，它在很大程度上决定了整个电源的性能。传统的逆变器模拟控制技术已经经历了一个较长的发展时期，是一比较古老而相对成熟的控制技术。他采用连续的模拟器件和数字器件直接搭建，工作过程易于理解，具有很大的频带宽度，控制精确，基本没有时延，设计也相对容易。目前随着制造工艺的不断提高，器件价格不断下降，生产成本越来越低。然后，模拟控制器也存在许多不可克服的缺点[6,7,8]：(1)由于不同厂家所使用的器件各自的特性差异，使电源的使用一致性不好。(2)设计周期长，调试复杂。(3)仅局限于传统的诸如PID和补偿技术等经典控制理论的简单算法，无法采用一些先进的控制算法。(4)器件数量多，体积大，控制电路复杂，系统的可靠性低。(5)模拟器件有器件老化、温度漂移等固有的缺陷，导致设计良好的控制器经过一段时间性能开始下降，甚至输出失败。(6)模拟控制器件是硬件设计方案，这就使得修改和升级换代非常困难。(7)模拟器的监控能力也差，一旦出现问题，一般仅限于声光报警，只有技术人员亲临现场才能排除，有极大的不便。由于模拟控制存在上述缺点，在很多场合也无法适应新的要求，因此势必需要用数字控制方法来取代[9]。逆变器的数字控制就是先将模拟量进行数字化，然后在微处理器中进行数字信号处理，得到所需要的控制量后再还原成模拟信号的一种控制方法。与传统的模拟控制相比较，数字控制具有如下好处：(1)便于标准化，每台电源间的一致性好。(2)减少控制元件数量，提高系统抗干扰能力。由于采用数字控制技术，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。(3)由于微处理器的运算速度快，因此可以实现更先进的无差拍等控制方法-7-和智能控制策略。(4)避免模拟信号传递过程的畸变、失真，减少杂散信号的干扰，输出质量好，稳定性和可靠性高。(5)设计和调试灵活。一旦控制方法改变，只需要修改软件程序即可，无需变动硬件电路，大大缩减了设计周期。(6)实时数字控制中采用软件算法来实现反馈控制，能很好地解决控制系统由于元器件的老化和温升带来的缺陷。可见，数字化是逆变电源发展的主要方向，然而，也存在着挑战。正是有着众多的优点，而问题又存在，才使得逆变电源的数字化控制在国内外引起了广泛的关注。1.2.3逆变电源的数字控制算法简介目前逆变电源的数字控制策略一般采用反馈控制，国内外研究得比较多的主要有：数字PID控制、状态反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、无差拍控制、以及智能控制。下面将对上述控制策略做简要的叙述(1)数字PID控制PID控制是一种具有几十年应用经验的控制算法[10]，控制算法简单，参数易于整定，设计过程中不过分依赖系统参数，鲁棒性好，可靠性高，是目前应用最广泛、最成熟的一种控制技术。它在模拟控制正弦波逆变电源系统中已经得到了广泛的应用。将其数字化以后，它克服了模拟PID控制器的许多不足和缺点，可以方便调整PID参数，具有很大的灵活性和适应性。与其它控制方法相比，数字PID具有以下优点：①PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，控制过程快速、准确、平稳，具有良好的控制效果。②PID控制在设计过程中不过分依赖系统参数，系统参数的变化对控制效果影响很小，控制的适应性好，具有较强的鲁棒性。-8-③PID算法简单明了，便于单片机或DSP实现。采用数字PID控制算法的局限性有两个方面。一方面是系统的采样量化误差降低了算法的控制精度；另一方面，采样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后的系统，造成PID控制器稳定域减少，增加了设计难度。(2)状态反馈控制状态反馈控制可以任意配置闭环控制系统的极点，实现了逆变电源控制系统极点的优化配置，有利于改善系统输出的动态品质，具有良好的瞬态响应和较低的谐波畸变率。但在建立逆变器的状态模型时将负载的动态特性考