PWM逆变电源双环控制技术研究

华中科技大学硕士学位论文PWM逆变电源双环控制技术研究姓名：何俊申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：彭力20070209I摘要逆变器作为UPS系统的核心部分，要求它能够输出高质量的电压波形，尤其是在非线性负载情况下仍能够得到接近正弦的输出波形，因此各种各样的逆变器波形控制技术得以发展。其中瞬时值反馈控制技术是根据当前误差对逆变器输出波形进行有效的实时控制，如果控制器设计合理，则既可以保证系统具有较好的稳态性能，同时可以保证系统具有较快的响应速度。本文主要研究内容是PWM逆变电源电流内环电压外环双环控制技术，对逆变器双环控制进行了理论分析，并结合仿真和实验对其控制性能进行了深入的研究。基于状态空间平均法给出了PWM逆变器的传递函数形式和状态方程形式的数学模型，详细分析了死区效应、过调制和非线性负载对单相全桥逆变器输出电压的影响，指出减小输出阻抗是增强系统非线性负载适应能力的合理方案。分析比较了电感电流内环电压外环和电容电流内环电压外环两种双环控制方式，提出了带负载电流前馈补偿的电感电流内环电压外环双环控制方式，重点研究了逆变器电容电流内环电压外环双环控制。依据电流内环所采用调节器的不同，分别讨论了电流内环采用P调节器、电压外环为PI调节器和电流内环、电压外环均为PI调节器两种双环控制方式。采用极点配置的方法设计控制器参数，在闭环系统配置相同的阻尼比和自然频率的前提下对两种双环控制方式进行仿真比较。仿真结果表明电流内环和电压外环均采用PI调节器的逆变器双环控制方式能够达到较好的动、静态特性，特别是其非线性负载带载能力较强；电流内环采用P调节器、电压外环为PI调节器的逆变器双环控制方式稳态性能较好，但其抗非线性负载扰动能力不及电流内环和电压外环均采用PI调节器的双环控制方式，理论分析和仿真结果表明增大双环控制系统的期望自然频率可以改善系统的抗非线性负载扰动能力。基于理论分析和计算，在一台样机上进行电容电流内环电压外环的双环模拟控制实验，实验结果与理论分析相符。关键词：PWM逆变器双环控制极点配置模拟控制IIAbstractAsthekeypartoftheUPS(UninterruptiblePowerSupply)system,invertersarerequiredtogethighqualityoutputvoltagewaveform.Toachievenearlysinusoidaloutputvoltageevenwithnonlinearloads,manywaveformcorrectiontechniqueshavebeenproposed.Sincetheinstantaneousfeedbackcontroltechniqueisareal-timecontrolmethodaccordingtothecurrenterrorofoutputwaveform,oncethecontrollerisdesignedproperly,itcouldachievenicestaticcharacteristicswithgooddynamicresponse.ThedissertationfocusesontheresearchfordualloopcontroltechniquewithinstantaneousvoltageandcurrentfeedbackforPWMinverters.Bothdynamicandstaticcharacteristicsareanalysedbysimulationsandexperiments.Basedonthestate-spaceaveragingandlinearizationtechnique,themathematicalmodelisgiveninformoftransferfunctionandstateequations.Theinfluenceofdead-time,over-modulationandnonlinearloadsonoutputvoltageinsingle-phasefull-bridgeinvertersisanalyzedindetail.Themethodwhichreducesequivalentoutputimpedanceofthecloseloopsystemtoeliminatethedisturbanceofnonlinearloadisreasonable.Thevoltageandcurrentdualloopcontrolsystemisdividedintoinductorcurrentfeedbackandcapacitorcurrentfeedback.Bothofthemareanalysedandcomparedinthepaper,thedualloopcontrolwithinductorcurrentfeedbackandloadcurrentforwardfeedcompensationincluded.Thedualloopcontrolwithcapacitorcurrentfeedbackisappliedinthefollowingsimulationandexperimentbyanalogmethod.Dependingonthedifferenceofcontrollerforthecurrentloop,thedualloopcontrolisclassifiedintotwomethods:currentloopusingPcontrollerwithvoltageloopusingPIcontroller（DualloopPI-Pcontrol）andbothcurrentloopandvoltageloopusingPIcontroller（DualloopPI-PIcontrol）.ControllerparametersareobtainedwithpoleassignmenttechniqueintheconditionthatbothdualloopPI-PcontrolsystemanddualloopPI-PIcontrolsystemhavethesamedesireddampingratioandnaturefrequency.ThesimulinkresultsshowthatdualloopPI-PIcontroltechniqueforinverterscouldgetnicestaticcharacteristicandwelldynamicresponse.Itcouldgethighqualityoutputwaveformsevenwithnonlinearload.DualloopPI-PcontrolinvertersIIIhavenicestaticcharacteristicwithlinearload,butitisnotsuperiortothedualloopPI-PIcontroltechniqueincharacteristicwithnonlinearload.Analysisandsimulinkcomparisonpresentthatthecharacteristicwithlinearloadcouldgetbetterwhenthesystemhashigherdesirednaturefrequency.Basedonthetheoreticanalysisandcalculationforthecontrolparameters,asinglephaseinverterapplyingdualloopanalogcontroltechniquewithoutputvoltageandcapacitorcurrentfeedbackisresearchedinthepaper.Theexperimentresultswhichaccordwiththeoreticanalysisarepresented.Keywords：PWMinverter；dualloopcontrol；poleassignment；analogcontrol独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律效果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。11绪论1.1电力电子技术概述电力电子技术是一门使用电力电子器件，通过电力电子变换电路及相应的控制理论，实现对电能的高效变换和控制的技术。电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分，其中以电力电子器件的制造技术为核心技术。电力电子技术是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前，电力电子技术已逐渐成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科[1]~[6]。电力电子技术在世界范围内已有较长的发展历史，由于它对生产的明显作用，如优化性能和节能等，世界各国都很重视这一技术，因而发展速度很快。至1980年，传统的电力电子器件已由普通晶闸管衍生出了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管，同时各类SCR的性能也有很大改善。80年代以来，微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的功率集成器件，从而使电力电子技术进入了新的发展阶段。目前电力电力技术正朝着高频化、模块化、多功能化、控制技术数字化方向发展。在电力电子应用中，逆变电源其用途昀为普遍。通常我们把将直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路，而实现逆变过程的装置叫做逆变器。若按直流电源的性质来分类，逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器。在电压型逆变器中，直流电源是蓄电池或由交流整流后经大电容滤波形成的电压源。电压源的交流内阻抗近似为零，桥臂输出电压为幅值等于输入电压的方波电压。为了使电感性负载的无功能量能回馈到电源，必须在功率开关两端反并联二极管。在电流型逆变器中，直流电源是交流整流后经大电感滤波形成的电流源。电流源的交流内阻抗近似为无穷大，桥臂输出电流为幅值等于输入电流的方波电流。为承受负载感应电势加在功率开关上的反向电压降，必须在功率开关上串联二极管。若按输出端相数分类，逆变器可分为单相逆变器和三相逆变器。其中单相逆变器按结构又可分为半桥逆变器和全桥逆变器。单相半桥逆变电路是所有复杂逆变电路的基本组成单元。三相逆变器又可以分为三相三线制输出逆变器和三相四线制逆变器。2目前逆变器主要用于两类工业功率控制装置中：一是恒压恒频逆变器，主要用于UPS电源、航空机载电源和机车辅助电源等应用场合。这是一种在负载或直流电源在一定范围内波动时，能保持输出为恒定电压和恒定频率的交流正弦波的电源装置，简称CVCF逆变器。二是变压变频逆变器，主要用于交流调速系统中。这是一种可获得所需要的电压、电流和频率的交流变压变频装置，简称VVVF逆变器。1.2PWM逆变电源波形控制技术电力电子控制策略的发展体现在各种控制理论和控制思想的尝试和应用中。而波形控制技术一直是PWM逆变器领域的研究热点，多年的研究产生了种较多的控制方案，主要有