基于極點配置的逆變電源重復控制器設計

丁海波 楊艷 劉鵬

摘 要：為改善逆變器動態特性和穩態性能，文章設計了極點配置和重復控制串聯的控制器方案。控制系統引入狀態反饋和極點配置，采用重復控制器進行電壓修正和補償。實驗證明該設計提高了逆變器動態性能且能夠獲得更高精度的穩態輸出波形。

關鍵詞：逆變器；重復控制；極點配置

引言

由于逆變器狀態變量變化快且動態特性差，尋找一種既能保證穩態精度和快速實現的瞬時控制方案比較困難[1]。將瞬時值控制結合重復控制，瞬時值控制主要用于改善逆變器動態特性；重復控制則專門用于獲得穩態輸出。二者的結合和補充大大簡化了控制器設計，且全面提升了系統的動靜態性能。

1 逆變器重復控制策略

重復控制系統示意圖如圖1所示，其中y為逆變器電壓輸出，r為參考正弦輸入，d為等效的周期性干擾信號，e為誤差信號，z-N為周期延遲環節，N為采樣次數，P（z）為控制對象，C（z）為補償器，其中陰影表示重復信號發生器的內模[2]。

圖1 重復控制系統的示意圖

控制對象是單相半橋逆變器。由于輸出基波頻率和濾波器的截至頻率遠小于逆變器的開關頻率，故逆變器的動態特性基本取決于輸出濾波器[3]。實驗裝置單相半橋逆變電源構成如下：直流輸入電壓250V；濾波電容20uF；濾波電感1.1mH；采樣頻率10KHz；開關頻率10KHz；死區時間2微秒；交流電壓輸出峰值100V，輸出電壓基波頻率為50Hz。連續域逆變器傳遞函數為[4]：

在10kHz采樣頻率下將（1）用零階保持器法離散

因此可知一個周期采樣的次數N=200，Q（z）取0.95，故周期延遲環節z-N=z-200。

2 重復控制與極點配置相結合控制

逆變電源動態特性較差，是由于逆變器自身的阻尼較弱，即其兩個極點太接近s域的虛軸或z域的單位圓[5]。而為增加逆變器的阻尼可以引入狀態反饋，進行極點配置。僅通過狀態反饋極點配置達到較高的穩態指標相對困難，增加重復控制可以解決此問題[6]。

首先配置狀態反饋極點來改造逆變器的極點，改善其在指令跟蹤和負載突變時的動態響應特性[7]；之后重復控制器采樣計算極點配置控制系統的電壓偏差值，據此漸次調整后者的電壓信號提高基波幅值的輸出精度和補償波形畸變[8]。

極點配置串連重復控制，而前者改變了開環逆變器的頻率特性，因此要重新設計重復控制。消除了諧振峰簡化了補償器的設計，并可不使用陷波濾波器，而高頻衰減和中低頻對消的任務僅用一個二階濾波器就可以完成，設計選用

由于逆變器阻尼增加消除了加載過程的振蕩，特別是通過瞬時值反饋補償波形，進而重復控制器的處理負擔被減輕了，波形在加載后第三個基波周期時就可恢復到穩態。

3 實驗分析

采用改進后的系統實驗波形如圖2所示。逆變電源的動、靜態性能被有效的改進，基本達到與狀態反饋極點配置+重復控制一樣的效果。

如圖2所示，由于引入了電壓微分反饋補償器，其改善了系統的動態特性，使得突加負載的振蕩過程消失，從而大大減輕了重復控制器的負擔，因此逆變器調節的時間比僅用重復控制的設計要少，輸出波形在第三個基波周期即可達到穩態。極點配置方案系統由于將負載擾動包含在狀態反饋回路當中，因此對于負載擾動有好于微分反饋方案的效果。

4 結束語

重復控制會對擾動的抑制滯后一個基波周期，一些要求比較苛刻的負載來說是不能接受的。瞬時值反饋控制的方法具有較好的動態性能，由重復控制器來控制穩態波形，從而實現較好動靜態性能的輸出。實驗結果顯示，該控制器設計方案不但能夠對動態性能進行改善，也明顯提高了穩態波形的質量。

參考文獻

[1]王蒙蒙，湯鈺鵬.三電平逆變器載波PWM方法的研究[J].電子測量技術，2010，33（6）：27-30.

[2]楊豪，趙軍紅，張瑞祥，等.一種改進的單相逆變器重復控制方案[J].現代電子技術，2012，35（15）：179-181，184.

[3]周雨田.基于重復控制策略的高性能逆變器控制器的設計[J].電氣自動化，2008，30（8）：23-24，35.

[4]鞏冰，段曉麗，孟繁榮.一種新穎的用于單相逆變器的重復控制器[J].應用科技，2010，37（7）：25-28.

[5]歐陽暉，蔡凱.一種單相逆變器改進型復合控制策略的研究[J].電力電子技術，2008，42（3）：75-77.

[6]黃朝霞，鄒旭東，童力，等.基于極點配置和重復控制的電流型單相動態電壓調節器[J].電工技術學報，2012，27（6）：252-260.

[7]張凱，康勇，熊健，等.基于狀態反饋控制和重復控制的逆變電源研究[J].電力電子技術，2000（5）：9-11.

[8]裴雪軍，段善旭，康勇，等.基于重復控制與瞬時值反饋控制的逆變電源研究[J].電力電子技術，2002（2）：12-14.

作者簡介：丁海波（1978-），男，籍貫：吉林四平，學歷：碩士，現職稱：工程師，研究方向：大型醫療器械逆變電源設計。