PWM逆变器双环控制技术研究.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.55M 资料格式：pdf 举报版权申诉

第1页 / 共7页

weixin_38743506-11740892-PWM逆变器双环控制技术研究.pdf-第2页.png

第2页 / 共7页

weixin_38743506-11740892-PWM逆变器双环控制技术研究.pdf-第3页.png

第3页 / 共7页

weixin_38743506-11740892-PWM逆变器双环控制技术研究.pdf-第4页.png

第4页 / 共7页

weixin_38743506-11740892-PWM逆变器双环控制技术研究.pdf-第5页.png

第5页 / 共7页

weixin_38743506-11740892-PWM逆变器双环控制技术研究.pdf-第6页.png

第6页 / 共7页

weixin_38743506-11740892-PWM逆变器双环控制技术研究.pdf-第7页.png

第7页 / 共7页

Return To Previous

PWM 逆变器双环控制技术研究 Research on dual-loop control technology for PWM Inverters 何俊，彭力，康勇 HE Jun，PENG Li，KANG Yong （华中科技大学电气与电子工程学院，湖北，武汉 430074，pretenderhj@163.com） (Department of Electrical and Electronics Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,China) 摘要：分析比较了单相 PWM 逆变器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，重点研究了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，仿真和实验结果表明以上两种双环控制方式均能达到较好的动、静态特性。 Abstract：The voltage and current dual loop control system is divided into inductor current feedback and capacitor current feedback. Both of them are analysed and compared in the paper. Depending on the difference of controller for the current loop, the dual loop control is classified into two methods: current loop using P controller with voltage loop using PI controller and both current loop and voltage loop using PI controller. Controller parameters are designed based on pole assignment technique. Simulink and experiment results demonstrated that both of two schemes could achieve good dynamic and static performance. 关键词：PWM 逆变器双环控制极点配置 Key words: PWM inverter, dual-loop control, pole assignment 1 引言于电感电流内环对负载扰动的抑制作用较差，瞬时控制方案可以在运行过程中实时地尤其是在非线性负载时输出波形很不理想，所调控输出电压波形，使得供电质量大大提高。以本文采用电容电流内环电压外环控制方案。文献研究表明电压外环电流内环的双环控制本文中的逆变器双闭环控制结构由外环电压方案是高性能逆变电源波形控制的发展方向之一[1-3]，双环控制方案的电流内环扩大逆变器控制系统的带宽，使得逆变器动态响应加快，输出电压的谐波含量减小，非线性负载适调节器和内环电流调节器组成。外环电压调节器一般采用 PI 调节器，内环电流调节器可以采用 PI 调节器或 P 调节器。采用极点配置方法设计系统控制器参数，通过仿真和实验对以应能力加强。目前，这种基于电流内环的电压上两种双环控制方案进行了分析和比较。源逆变器波形控制技术越来越得到广泛的应用。 2 逆变器及控制系统模型 PWM 逆变器双环控制方案分为电感电流内本文采用单相全桥逆变器为控制对象，其环电压外环和电容电流内环电压外环两种,由主电路原理图如图 1 所示：

图中 E 为直流母线电压，u1 为逆变桥输出比较得到电压误差，经过电压调节器 Gv 产生电电压，u0 为逆变器输出电压，il 为滤波电感电流给定信号 uir，uir 与电容电流反馈信号 ic 比流，ic 为滤波电容电流，i0 为负载电流，r 为较而得的电流误差信号经过电流调节器 Gi 形考虑滤波电感 L 的等效串联电阻、死区效应、成控制量 u1，对逆变器实施控制。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。 E T1 T3 a T2 T4 r b li 0u L lu oi ci C R 图 1 单相全桥逆变电路对于单相逆变器这样一个双输入、单输出的二阶系统，选择电容电压 u0 和电感电流 i1 作为状态变量，可得状态空间表达式如下： u & 0 i & 1       =       0 − 1 L 1 C r L −       0 u i 1       +     0 1 L     u 1 + − 1   iC 0  0      （1） y = [ 01 ] 0 u   i  1    （2） PWM 逆变器的电压电流双环控制分为两类：电感电流内环电压外环控制和电容电流内环电压外环控制。对于电感电流内环控制，由于负载电流 i0 作为逆变器的外部扰动信号处在电感电流环之外，控制系统不能很好的抑制负载扰动，动态性能不理想。电容电流内环电压外环控制系统动态性能好，抗负载扰动性能强。PWM 逆变器电容电流内环电压外环双环控制系统框图如图 2 所示： 3 控制器设计、仿真和实验 3.1 电流内环采用 PI 调节器在该双环控制方案中，电流内环采用 PI 调节器，简称双环 PI-PI 控制系统。其中电流调节器 Gi 的比例环节用来增加逆变器的阻尼系数，使整个系统工作稳定，并保证有很强的鲁棒性；电流调节器的积分环节用来减少电流环稳态误差；电压外环也采用 PI 调节器，电压调节器 GV 的作用是使得输出电压波形瞬时跟踪给定值。这种电流内环电压外环双环控制的动态响应速度十分快，且静态误差很小[4-5]。电压和电流调节器分别为： sG )( v = k + p 1 sG )( i = k 2 p + k i 1 s i k 2 s （3）（4）可得到该控制系统的传递函数： U s ( ) 0 = ( k s p 1 )( k k s + i p 1 2 LCD S ( ) + k ) 2 i U s ( ) r − sL r s ( ) 2 + LCD S ( ) I 0 s ( ) = G s U s G s I ( ) ( ) ( ) − ur io r s ( ) （5） o urG s 体现了控系统输出传函中的前一部分 ( ) 制系统输出对正弦电压给定 ru 的跟踪性能， ioG s 体现了负载电流对控制系统而后一部分 ( ) 输出的扰动特性，即系统等效输出阻抗。其中控制系统特征方程为： k k p 1 + 1 p 2 3 s + + Ck 2 i 2 s + p 2 LC D s ( ) = 4 s + rC Ck + LC k k p 1 图 2 控制系统方框图 2 1 i 2 p s k k + i LC 对上述系统按极点配置方法设计控制器（6） k k i 1 2 LC + i 电压给定信号 ur 与输出电压反馈信号 u0 参数。双环控制系统的控制器参数按常规方法

设计，需考虑两个调节器之间的响应速度、频带宽度的相互影响与协调，控制器设计步骤复杂，还需要反复试凑验证；采用极点配置方法大大简化了设计过程，同时能满足高性能指标要求，这种设计方法具有明显的优越性。针对一台单相PWM 逆变器进行双环控制器设计，逆变器的主要参数如下：额定输出电压 Uor=220V（rms），额定频率 f=50Hz，额定输出功率 Po=11kW，额定功率因数 cosφ=0.8，输出滤波电感 L=0.43mH ，输出滤波电容 C=140μF，等效阻尼电阻 r=0.1Ω，PWM 开关频率 fsw=10kHz。取期望阻尼比ζr=0.8，期望自然频率ωr=2500，可得： G s ( ) v = k 1 p + G s ( ) i = k 2 p + i k 1 s i k 2 s = 0.5974 = 18.82 + 964.53 （7）（8） + s 156040 s 由图 2 可得电流内环的开环和闭环传函： sG )( iop = kC ( 2 2 LCs s p + k ) + i 2 rCs 1 + （9） G s ( ) icl = LCs 2 + ( ( C k s + p rC Ck 2 + 2 k i 2 s ) p ) 1 + + Ck 2 i （10）利用电流内环闭环传函推导出电压外环的开环传函： G s ( ) uop = ( [LC 2 s k s p 1 s 2 k k k s+ ) ) ( + i i 1 2 2 k Cs Ck (r ) + + + 2 p p （11） + 1] 2 i 电压外环的闭环传函和系统的输出阻抗 ioG s 。可得如图 3~ 即式（5）中的 ( ) 图 5 所示的双环控制系统的频率响应特性： urG s 和 ( ) 图 3(a)表明电流调节器使得电流内环的相角裕度接近 800，稳定性较高；图 3(b)表明电流内环带宽较宽，响应速度非常快；图 4(a) 显示电压外环相角裕度超过 600，幅值裕度非常大；图 4(b)表明双环控制系统基波闭环增益接近 1，系统稳态性能非常好；图 5 表明负载扰动在各个频段都有较大衰减，系统具有很强的负载扰动抑制能力。（a）开环频率特性（b）闭环频率特性图 4 电压外环频率特性图 5 输出阻抗频率特性 (a) 额定功率阻性负载 (b) 额定功率阻感性负载图 6 逆变器双环 PI-PI 控制系统负载突变响应 (100V/div, 100A/div, 0.01s/div) （a）开环频率特性（b）闭环频率特性图 3 电流内环频率特性 (a)电流峰值达额定峰值 (b)电流有效值达额定有效值图 7 逆变器双环 PI-PI 控制系统非线性负载响应波形（100V/div, 100A/div, 0.01s/div）

对逆变器双环 PI-PI 控制系统进行仿真：图 6 为逆变器双环控制系统在负载满功率突变时的动态响应情况，电压变化量不超过 8.9%，调节时间不超过 0.5ms，可见动态响应快，输出电压变化较小。图 7 为逆变器双环控制系统在非线性负载条件下输出电压、电流波形，图 7(a)为非线性负载电流峰值超过逆变器额定负载电流峰值时的波形，电流峰值 I0p=79.6A，波峰因子 WCF=3.35，输出电压 THD=0.54%。图 7(b) 为非线性负载电流有效值超过逆变器额定负载电流有效值时的波形，电流峰值 I0p=172.8A，电流波峰因子 WCF=3.31 ，输出电压 THD=0.71%。可见电容电流内环和电压外环均采用 PI 调节器时双环控制逆变器从频率响应特性和仿真结果均反映了其优越的动、静态特性。实验装置为 IGBT 单相全桥逆变器，逆变器参数如下：输出额定电压 Uor=220V （RMS），输出额定电流 Ior=50A（RMS），滤波电感 L=0.43mH，滤波电容 C=140μF，实测阻尼电阻 r=0.1。实际应用时为了避免纯积分环节引起的饱和问题，积分环节用一个大惯性环节代替，这样低频增益变为有限值，转折频率以上增益保持不变。图 8 显示了逆变器双环控制系统阻性满载（ 50A ）时的输出波形，输出电压 THD=0.419%；图 8 阻性满载时电压电流波形及 THD （90V/div 50A/div 10ms/div） (a) WCF=3.2 (b) WCF=4.9 图 9 非线性负载时电压电流波形及 THD （90V/div 50A/div 10ms/div）图 10 突加 68%额定负载时响应波形及局部放大图（90V/div 20A/div 10ms/div）图 9 显示双环控制逆变器带非线性负载峰值达到额定负载电流峰值时的响应波形：图 9(a)为负载电流峰值 I0p=71A，电流波峰因子 =3.2，输出电压 THD=0.531%；图 9(b)为负载电流峰值 I0p=76A，电流波峰因子=4.9，输出电压 THD=0.605%。可见在额定输出、负载电流波峰因子超过 3 的情况下，输出电压 THD 较低，逆变器双环控制系统表现出对非线性负载引起的波形失真具有较强的抑制能力。图 10 显示了逆变器突加 68%额定负载（34A）时的输出波形及突加时刻局部放大图。动态过渡过程约为 0.6ms，输出电压变化率约为 7.6%，负载适应性强。表 1 显示了双环控制逆变器稳态输出电

压测试数据，其中稳压精度等于实际输出电压电压外环闭环传函和系统输出阻抗分别为： K K s K K 1 p 2 2 p i 1 （18） + p D s ( ) r s ) （19） G s ( ) ur = ( G s ( ) io = Ls + D s ( ) 则可得到双环 PI-P 控制系统的频率响应特性，如图 11 和图 12 中 PI-P 曲线所示，图中PI-PI 曲线表示上节中双环PI-PI 控制系统的频率响应特性。图 11 显示两种控制方式的闭环特性相差不大，逆变器双环 PI-PI 控制时系统带宽略宽些；图 12 表明逆变器双环 PI-PI 控制时的系统输出阻抗明显要比双环 PI-P 控制时小些，即对于相同的极点配置，双环 PI-P 控制在抑制非线性负载电流扰动方面不如双环 PI-PI 控制。对逆变器电容电流内环电压外环双环 PI-P 控制方式进行连续系统仿真：图 13 为逆变器双环 PI-P 控制系统在负载满功率突变时的动态响应情况，电压变化量不超过 6.6%，调节时间不超过 0.5ms，可见动态响应快，输出电压变化较小。图 11 ωn=2500 时系统闭环频率特性比较与额定电压之差占额定电压的百分比，不同负载情况下稳压精度均在 0.2%内，稳态误差非常小。表 1 逆变器稳态输出电压测试数据 43A 10A 23A 34A 空载 54A 219.8 V -0.09 % 220.1 V 0.05 % 负载电流输出电压 219.6 V -0.18 % 219.9 V -0.05 % 220.0 V 0 220.1 V 0.05 % 稳压精度 3.2 电流内环采用 P 调节器在此双环控制方案中，电流内环采用 P 调节器，简称双环 PI-P 控制系统。电流内环的 P 调节器增加了系统的阻尼系数，电压外环的 PI 调节器维持输出电压恒定，两个调节器共同作用使得闭环系统工作稳定。设电压、电流调节器分别为： G s ( ) v = K 1 p + K i 1 s （12） G s ( ) i K= 2 p （13）由图 2 可以推导出其闭环传递函数为： U s ( ) 0 = K K s K K 1 i 1 p 2 + p D s ( ) 2 p U s ( ) r − ( Ls r s ) + D s ( ) I s ( ) 0 = G s U s G s I s ( ) ur ( ) ( ) ( ) − io o r （14） 2 2 ( ) + urG s 和 ( ) r K Cs K K ( + + 2 ioG s 的定义与 3.1 节中定义上式中 ( ) 类似。其中闭环特征方程为： D s LCs s K K 1) ( ) 3 + + 2 （15） = 同样采用极点配置方法设计控制器。以上节中的逆变器为被控对象，取与双环 PI-PI 控制系统相同的期望阻尼比ζ=0.8，自然频率 ωn=2500，可求得此时的双环控制器参数： p 1 i 1 p p p G s ( ) v = K 1 p + K i 1 s = 0.41 + 736.3 s （16） G s ( ) i K= 2 p = 10.22 （17）图 12 ωn=2500 系统输出阻抗频率特性比较

(a) 额定功率阻性负载 (b) 额定功率阻感性负载图 13 逆变器双环 PI-P 控制系统负载突变响应 (100V/div, 100A/div, .01s/div) 图 16 非线性负载时电压电流波形及 THD （100V/div 50A/div 10ms/div）图 17 突加 68%额定负载时响应波形及局部放大图 (a)电流峰值达额定峰值 (b)电流有效值达额定有效值图 14 逆变器双环 PI-P 控制系统非线性负载响应波形（100V/div, 100A/div, 0.01s/div）图 14 为逆变器双环 PI-P 控制系统在非线性负载条件下输出电压、电流波形，图 14(a) 为非线性负载电流峰值超过逆变器额定负载电流峰值时的波形，电流峰值 I0p=76.6A，电流波峰因为 3.24，输出电压 THD=1.21%；图 14(b)为非线性负载电流有效值超过逆变器额定负载电流有效值时的波形，电流峰值 I0p=156.4A，电流波峰因子 WCF=3.11，输出电压 THD=1.83%。在与 3.1 节相同的实验台架上进行实验，实验结果如下：（100V/div 50A/div 10ms/div）图15 是满载(50A)时的输出电压和电流的波形，此时输出电压 THD=0.624%。图 16 显示双环 PI-P 控制逆变器带非线性负载峰值达到额定负载电流峰值时的响应波形，此时负载电流峰值 I0p=75A，电流波峰因子=3.1，输出电压 THD=1.154%。可知此时系统对非线性负载的适应能力比双环 PI-PI 控制时要差些。图 17 为逆变器双环 PI-P 控制系统突加 68%额定负载（34A）时的响应波形及突加时刻放大图，响应波形的动态过渡过程约 0.9ms，输出电压变化率约为 8.4%，动态性能较好。从仿真和实验结果可知：在相同的极点配置情况下双环 PI-P 控制系统在非线性负载条件下输出电压的质量明显比双环 PI-PI 控制时差，为了改善双环 PI-P 控制时系统的非线性负载带载能力，可以采用增大系统期望自然频率的方法。图 15 阻性满载时电压电流波形及 THD （100V/div 50A/div 10ms/div）仿真表明随着系统极点配置期望自然频率ωn 的提高，系统带宽逐渐变宽，系统输出阻抗呈现减小趋势，非线性负载带载能力增强。当双环 PI-P 控制系统期望自然频率ωn 为

2004. [2] 陈坚．电力电子学 — 电力变换和控制技术．北京：高等教育出版社，2002. [3] S Buso，S Fasolo．Uninterruptale power supply multiloop control employing digital predictive voltage and current regulators [J] ． IEEE Trans．On Power Electronics，2001，37(11)： 1846-1854. [4] 舒为亮，张昌盛，段善旭，康勇．逆变电源 PI 双环数字控制技术研究．电工电能新技术， 2005，24(2)：1-4. [5] 彭力，张宇，康勇，陈坚．高性能逆变器模拟控制器设计方法．中国电机工程学报， 2006，26(6)：89-94. i i作者简介：何俊（1982-）男，湖北鄂州人，硕士研究生，研究方向为电力电子技术应用彭力（1967-）女，副教授，主要研究方向为电力电子技术 5500 rad/s 时，其非线性负载带载能力与ωn 为 2500 rad/s 时的双环 PI-PI 控制系统相当。其实验结果如图 18 所示：图 18 非线性负载时电压电流波形及 THD （100V/div 50A/div 10ms/div）此时负载电流峰值 I0p=73A，电流波峰因子=3.2，输出电压 THD=0.712%。与图 16 比较可知，此时双环 PI-P 控制系统对非线性负载的适应能力有较大提高。 4 结论依据电流内环所采用调节器的不同，本文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 PWM 逆变器双环控制方式。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。仿真和实验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。理论分析和实验结果表明通过增大控制系统的期望自然频率，其抗非线性负载扰动能力可以得到改善。参考文献 [1] 彭力．基于状态空间理论的 PWM 逆变电源控制技术研究．武汉：华中科技大学图书馆，

分享到：

赞收藏

资料库

PWM逆变器双环控制技术研究.pdf

相关推荐

开发技术

热门标签

最新资料