单相电压源型逆变器控制系统设计

单相电压源型逆变器控制系统设计摘要：大量UPS系统在为许多不允许供电中断的重要用电设备提供不间断供电，研发UPS的关键便是电压源型逆变器，控制输出高质量电压波形，且带非线性负载和负载突变的情况下，仍能保持电压的稳定和高质量。本文的主要内容是研究单相电压源型逆变器，采用电压电流双环瞬时值反馈控制技术，并详细讨论了基于极点配置的双环PI控制参数的整定。同时提出单环超前滞后电压瞬时值反馈控制，并做了大量仿真研究，显示这两种控制方式都具有优越的控制性能。关键词：双环控制；极点配置；超前滞后；电压源型逆变器Thecontrolsystemdesignofsingle-phasevoltagesourceinverterAbstract:UninterruptiblePowerSupply(UPS)systemsarewidelyusedforsupplyingcriticalequipmentwhichcan’taffordutilitypowerfailure.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引言能源的紧张，让人们越来越重视能源利用的高效性。电能成为生产生活使用最直接最重要的能源，在电能的生产、传输和利用过程中，高效利用电能离不开电能变换；同时高精密设备对电能稳定性和高质量的要求，也迫切需要电力电子电能变化的迅速发展。对于逆变电源的控制策略,可以采用重复控制、无差拍控制、滑模变结构控制或者PID控制。但是现实实际应用中，现今普遍采用的电压电流双环控制，分为电感电流内环电压外环和电容电流内环电压外环两类，由于电感电流闭环没有把负载电流包括在内，导致系统对扰动敏感，所以本文重点研究了单相逆变器电容电流内环电压外环双环控制系统特性。2单相全桥PWM逆变器数学模型单相全桥PWM逆变器主电路原理图如图1所示，交流输出侧由滤波电感L与滤波电容C构成低通滤波器，r为考虑滤波电感L的等效串联电阻、死区效应、开关管导通压降、线路电阻等逆变器中各种阻尼因素的综合等效电阻，直流母线电压Udc，逆变器输出电压ur，流过滤波电感的电流il,负载电压电流为u0、i0.dcUrUli0iCi0UrLR图1单相全桥PWM逆变器主电路原理图2.1单相逆变器连续域数学模型将输出电压uo和电感电流il作为状态变量，ur和i0分别为输入量和扰动量，输出电压uo为输出量，可以得到逆变器输出滤波器线性双输入、单输出状态空间模型，其在连续域下的状态方程可以表示为：000            110           010 1rlluuCuiCiriLLL（1）根据单相全桥PWM逆变器数学模型做出系统框图，如图2.21SLr1SCru0i0u-+-+Ci图2单相全桥PWM逆变器系统框图由状态空间平均模型可以推导出双输入同时作用时系统的S域输出响应关系式：0221(s)(s)(s)11orLsrUUILCSrCsLCSrCs（2）可以看出传递函数的特征方程是一个二阶欠阻尼系统，阻尼很小，在高频段会-40dB衰减。3逆变器的双环PI控制3.1逆变器加入双环控制逆变器在采用电容电流内环电压外环控制策略时，系统框图如下：1SLr1SCru0i0u-+-+CiGv0refu+-Gi+-图3双环控制系统框图3.2控制系统设计采用双环控制，电流环PI闭环控制，调节逆变器主电路二阶传递函数，在打开电压闭环后，此时开环传递函数频域特性如下图3：-100-50050100Magnitude(dB)102103104105106-180-150-120-90Phase(deg)电压控制开环传递函数Frequency(rad/sec)图4电压开环电流闭环传递函数频率特性低频段高增益，可以输出电压快速跟踪给定电压，保证稳态误差要求，并且以-20dB衰减，满足低频段特性；中频段有一定宽度，保证适当的相角裕度，增加系统稳定性能；高频段以-40dB衰减，消弱高频噪声影响，改善系统动态性能。电流电压同时闭环PI调节，闭环传递函数频率特性如下图：-80-60-40-20020Magnitude(dB)101102103104105106-180-135-90-450Phase(deg)BodeDiagramGm=InfdB(atInfrad/sec),Pm=132deg(at5.17e+003rad/sec)Frequency(rad/sec)图5电压电流双环闭环控制频率特性从波特图可以看出低频段增益相角稳定，高频衰减很快，控制系统设计良好。3.3基于极点配置的双PI参数的整定加入双环ＰＩＰＩ控制后，系统传递函数如下20043220432(KKKK)sKK(s)(s)(rCKC)s(KKKC1)s(KKKK)sKK(KKKK)sKK(s)(rCKC)s(KKKC1)s(KKKK)sKKvpipvpiiipviviiirefipvpipiivpiiviipviiivpipvpiiipviviiiipvpipiivpiiviipviiiKKsUULCsKKsILCs（3）特征方程432(s)(rCKC)s(KKKC1)s(KKKK)sKKipvpipiivpiiviipviiiDLCs（4）特征方程（4）的4个根就是系统的4个闭环极点。闭环系统的动态响应性能、稳定性主要由闭环极点在s平面的分布位置决定，对于一个高阶（高于二阶）系统，其动态特性主要由闭环主导极点决定。如果根据控制系统的动态性能指标确定了闭环系统主导极点希望位于21,21nnsj，其中、n分别为希望的阻尼比和自然频率，那么闭环非主导极点，可以选取3nsm、4nsn，式中n、ｍ是正的常数，n、ｍ的取值越大，则由四个极点确定的四阶系统响应特性越接近由闭环主导极点决定的二阶系统，一般n、ｍ=5~10时均可，由此得到了满足动态性能要求的希望的闭环系统特征方程：22(s)(s2s)(sm)(sn)rnnD（5）可以用极点配置方法算得：3210rCKCKKKC1KKKKKKipvpipiivpiiviipviii（6）3222231240(2mn)[1(2m2nmn)](mn2mn)nnnnLCLCLCLCmn（7）基于极点配置方法设计的逆变器瞬时电压电流瞬时值双环反馈PIPI控制器参数，PIPI控制器参数的选择直接与闭环系统的性能指标建立了量化关系，设计过程概念清晰，简洁明了。4电压环串联校正超前滞后控制系统设计控制系统框图设计如下：1SLr1SCru0i0u-+-+Ci0refu+-Gv图6电压环串联校正超前滞后控制系统框图超前滞后传递函数设计如下：12(1Ts)(1Ts)(1Ts)(1Ts)abvGK（8）适当选取参数Ta、Tb、T1、T2、K，调整系统相角裕度和开环增益，如图7所示，提高相角裕度。101102103104105106-180-135-90-4504590Phase(deg)LCFrequency(rad/sec)-100-50050Magnitude(dB)校正前校正后校正函数图7超前滞后控制系统设计在添加校正系统之前，相角裕度只有5°，稳定性很差，加入串联校正，采用超前滞后传递函数，调整相角裕度可以达到45°。得到闭环系统如下：-80-60-40-20020Magnitude(dB)102103104105106-180-135-90-45045Phase(deg)closedloopFrequency(rad/sec)图8超前滞后校正后闭环传递函数5实验仿真结果单相逆变器主要参数如下：直流侧电压400dcUV额定输出电压0220UV负载50R输出滤波电感5Lml等效阻尼电阻0.1r输出滤波电容10CFＰＷＭ开关频率10fkHz5.1电流电压双环控制仿真取值希望阻尼比ζ=0.7，自然频率，ｎ＝１０，ｍ＝１０，根据式5、式6、式7计算解得：0.81,1824,26.4,317000,vpviipiiKKKK仿真逆变器负载侧输出电压和给定电压跟随效果如下：0.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09-200-150-100-50050100150200t/s电压幅值/v图9双环控制输出波形5.2电压环串联校正超前滞后控制系统仿真根据图7波特图分析设计，选择Gv(23)(43)100(52)(24)vseseGsese（9）仿真得到逆变器输出电压跟随给定电压，如图10：00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04-300-200-1000100200300图10超前滞后控制输出电压6结论本文通过给定电路参数设计电压电流双环瞬时值反馈控制的PI参数，并做了大量仿真和调试，同时做出开环、闭环传递函数波特图，对其频域特性进行了详细分析，实验验证了基于极点配置的双环控制的稳定性和可靠性。然后提出单环串联超前滞后校正，并根据波特图设计出详细参数，大量的仿真证明了这种控制的可行性。参考文献[1]李俊林.单相逆变器重复控制和双环控制技术研究[D].湖北:华中科技大学,2004.[2]胡晓.PWM逆变器PIP双环数字控制技术研究[D].湖北:华中科技大学,2007.[3]田斌.SPWM逆变器带极点配置的重复控制研究[D].湖北:华中科技大学,2004.[4]周樑.PWM逆变电源瞬时值反馈控制技术研究[D].湖北:华中科技大学,2006