基于SPWM控制的電壓、電流雙環(huán)逆變器建模及其仿真

朱承邦 李 樂 王曉鵬

1大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧 大連116005 2中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064

基于SPWM控制的電壓、電流雙環(huán)逆變器建模及其仿真

朱承邦1李 樂2王曉鵬2

1大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧 大連116005 2中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064

基于SPWM的電壓電流雙環(huán)逆變器控制相對(duì)其他逆變器控制策略具有一定優(yōu)越性，但其控制器參數(shù)設(shè)計(jì)卻是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。針對(duì)逆變器的SPWM電壓電流雙環(huán)控制策略，建立了系統(tǒng)的控制模型，設(shè)計(jì)了電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的控制器參數(shù)，并根據(jù)經(jīng)典控制理論的判據(jù)，分別對(duì)控制器電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)參數(shù)進(jìn)行了理論驗(yàn)證。最后根據(jù)設(shè)計(jì)的控制器參數(shù)，對(duì)SPWM電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，效果滿意。

SPWM；逆變器；電壓電流雙環(huán)；仿真

1 引言

現(xiàn)代科技發(fā)展日新月異，各類電氣設(shè)備對(duì)電源的品質(zhì)要求也越來越高。逆變供電作為一種有效的電力供應(yīng)形式，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。

為了不斷改善逆變器輸出性能，人們發(fā)展出了多種逆變器控制方法，常見的有：電壓瞬時(shí)值控制、電流滯環(huán)控制、電流預(yù)測(cè)控制、魯棒控制［1］、重復(fù)控制［2，3］、滑模控制［4］及SPWM電流控制等。就各種逆變器控制策略的特點(diǎn)來看，基于SPWM的電壓電流雙環(huán)逆變器控制是一種較好的控制方法［5，6］。

本文針對(duì)電壓電流雙環(huán)逆變器控制模型，設(shè)計(jì)了電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的控制參數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)的雙環(huán)控制逆變器模型進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果證明了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

2 雙環(huán)控制逆變器結(jié)構(gòu)

基于SPWM的電壓電流雙環(huán)逆變器控制原理圖如圖1所示，外環(huán)為瞬時(shí)電壓環(huán)控制，輸出電壓與參考正弦基準(zhǔn)比較，誤差信號(hào)經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)基準(zhǔn)；內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，電感電流瞬時(shí)值與電流基準(zhǔn)比較產(chǎn)生的誤差信號(hào)與三角波載波比較后產(chǎn)生SPWM控制信號(hào)。由于采用電感電流作為內(nèi)環(huán)，因此這種控制方法有輸出限流的功能，即使在輸出短路的情況下，輸出電流也不會(huì)很大，而是被限定在設(shè)定的電流值。這增加了系統(tǒng)的可靠性，對(duì)逆變器過載有較好的保護(hù)作用。

圖1 電壓電流雙環(huán)逆變器控制原理圖

3 控制器參數(shù)設(shè)計(jì)

忽略電感L、電容C的寄生電阻，電壓電流雙環(huán)逆變器控制框圖［7］如圖2所示。其中E為直流母線電壓，R為負(fù)載阻抗，L為濾波電感值，C為濾波電容值，KL為內(nèi)環(huán)電流檢測(cè)系數(shù)，KU為外環(huán)電壓檢測(cè)系數(shù)，KPWM為PWM環(huán)節(jié)等效增益。輸出電壓與給定參考信號(hào)相比較，得到的誤差信號(hào)經(jīng)外環(huán)PI調(diào)節(jié)器（Kps＋KI）／s，其輸出作為內(nèi)環(huán)給定信號(hào)。內(nèi)環(huán)給定信號(hào)與輸出電流比較，得到的誤差信號(hào)經(jīng)內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)器K倍運(yùn)算，得到了內(nèi)環(huán)的控制信號(hào)，最后送入PWM調(diào)制器控制PWM脈沖的產(chǎn)生。

圖2 電壓電流雙環(huán)逆變器控制框圖

3.1 電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2的電壓電流雙環(huán)逆變器控制框圖［8］，提取其中的電流內(nèi)環(huán)部分作為分析和研究的對(duì)象［9］。由于電流內(nèi)環(huán)中間含有反饋分量輸出電壓UO，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，我們假定在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，輸出電壓UO近似不變，得到簡(jiǎn)化的電流內(nèi)環(huán)框圖3。

假設(shè)不存在比例系數(shù)K時(shí)，電流內(nèi)環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

此時(shí)電流通路為一階系統(tǒng)，當(dāng)添加了比例系數(shù)為K反饋環(huán)后，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

假設(shè)電流檢測(cè)裝置的輸入輸出比值為1∶500，檢測(cè)電阻選取為200 Ω，由此得到比例系數(shù)KL為：

圖3 電流內(nèi)環(huán)框圖

根據(jù)理論上的限制是將剪切頻率設(shè)定為開關(guān)頻率的一半，為了達(dá)到較好的控制效果，以少于1／5的開關(guān)頻率（Fs＝20 kHz）來使用較為恰當(dāng)。因此，選擇剪切頻率為4 kHz。將各參數(shù)代入式（2），可得出比例系數(shù)k的取值。

求解式（4）得：K＝75。

通過各個(gè)系數(shù)可得電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)GLB為：

由式（1）和式（2）可得

根據(jù)式（6）和式（7）分別畫出開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖，其中圖4（a）為無比例環(huán)節(jié)的電流開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖，（b）為有比例環(huán)節(jié)的電流開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖。

圖4 電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖

通過圖4可以明顯看出，增加了比例系數(shù)K后的電流開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖在幅頻特性L（ω）≥0的頻段內(nèi)，相頻特性φ（ω）并不穿越－π線，而系統(tǒng)的開環(huán)傳遞補(bǔ)函數(shù)在S平面右半部無極點(diǎn)，故系統(tǒng)在閉環(huán)時(shí)必然穩(wěn)定。

3.2 電壓外環(huán)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電壓環(huán)時(shí)，這里認(rèn)為電流環(huán)的輸出已經(jīng)能夠跟蹤輸入，在設(shè)計(jì)電壓外環(huán)的過程中，將電流環(huán)等效于增益為1的比例環(huán)節(jié)，電壓外環(huán)框圖如圖5。

圖5 電壓外環(huán)框圖

在電壓外環(huán)沒有加入PI調(diào)節(jié)器以前，電壓外環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)GUK為：

為了使系統(tǒng)能夠得到更好的動(dòng)態(tài)性能，消除輸出電壓UO的穩(wěn)態(tài)誤差，這里引入PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行補(bǔ)償，其開環(huán)傳遞函數(shù)GUK′：

這里設(shè)定電壓環(huán)的電壓檢測(cè)系數(shù)KU＝0.01，電阻R＝50 Ω，電容C＝10 μF。沒有加入PI調(diào)節(jié)器以前，電壓外環(huán)由比例環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)組成，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率ωC為：

PI環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率設(shè)為3 140 rad／s，添加了PI環(huán)節(jié)后整個(gè)系統(tǒng)的剪切頻率為6 280 rad／s，聯(lián)立式（8）和式（9），建立以下方程。

求解式（11）得

得到PI控制器的傳遞函數(shù)GPI為：

由式（9）和式（12），計(jì)算出加入了PI控制器的電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)GUB：

通過式（8）和式（9）分別求得

根據(jù)式（14）、式（15）分別畫出各開環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖，其中圖6（a）是PI補(bǔ)償前電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖，圖6（b）是PI補(bǔ)償后電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖。可以看出，PI補(bǔ)償后電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖相角裕量為81.5°，閉環(huán)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)裕量。

4 逆變器的仿真分析

在MATLAB的Simulink模塊仿真環(huán)境中，建立了基于SPWM的電壓電流雙環(huán)控制逆變器仿真模型［10－12］，表1是建模系統(tǒng)的主要參數(shù)，仿真結(jié)果見圖7。

圖6 電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖

表1 逆變器的主要參數(shù)

圖7（a）和（b）是逆變器從滿載到斷路時(shí)輸出電流和電壓的波形，（c）和（d）是逆變器從半載到滿載時(shí)輸出電流和電壓波形。由仿真波形可知，逆變器輸出電壓波形響應(yīng)迅速，無不良畸變，負(fù)載調(diào)整時(shí)系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，逆變器控制系統(tǒng)具有較好的負(fù)載動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，逆變器系統(tǒng)及控制參數(shù)設(shè)計(jì)合理。

圖7 逆變器輸出電流、電壓仿真波形

5 結(jié)束語

本文根據(jù)SPWM控制的電壓電流雙環(huán)逆變器模型，對(duì)控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了重點(diǎn)討論。其中內(nèi)環(huán)的電流環(huán)采用比例調(diào)節(jié)，以提高系統(tǒng)的快速性和動(dòng)態(tài)性能；外環(huán)的電壓環(huán)采用PI調(diào)節(jié)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和消除靜態(tài)誤差。仿真分析表明，系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，參數(shù)設(shè)計(jì)合理。

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Modeling and Simulation of Voltage and Current Double Loop Control Based on SPWM Inverters

Zhu Cheng-bang1Li Le2Wang Xiao-peng2
1 The Naval Representative Office，Dalian Shipbuilding Heavy Industry Co.，Dalian 116005，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Comparing with other inverters control strategy，voltage and current double loop control based on SPWM inverters are superior in capabilities though the controller parameters design is significant and difficult.In this paper，the system control model has been constructed in terms of inverters of SPWM voltage and current double loop control strategy，and the current inner loop and voltage outer loop controller parameters design has been proposed with theoretical validation of classic control theory criterion.The SPWM voltage and current double loop control system model simulation provided with designed controller parameters shows that the system design is reasonable and the effect is satisfying.

SPWM；inverter；voltage and current double loop；simulation

TM743

A

1673－3185（2009）05－54－05

2008-09-03

朱承邦（1963－），男，高級(jí)工程師。研究方向：雷達(dá)應(yīng)用