逆變電源系統復合控制方法研究

王越男徐 鵬郭晉男趙 彬

（1. 長春工業大學電氣與電子工程學院，長春 130012；2. 吉林省四平市公安消防支隊，吉林 四平 136000）

逆變電源系統復合控制方法研究

王越男1徐 鵬1郭晉男2趙 彬1

（1. 長春工業大學電氣與電子工程學院，長春 130012；2. 吉林省四平市公安消防支隊，吉林 四平 136000）

本文詳細研究了雙閉環控制方法及重復控制方法的工作原理，根據其控制特性進行融合，建立了逆變電源系統復合控制模型，給出一種基于雙閉環控制和重復控制的復合控制方法，并進行了仿真實驗研究。結果表明復合控制方法具有動態響應快，穩態誤差小的特性，達到了對逆變電源復合控制的預期效果。

逆變電源系統；雙閉環控制；重復控制；復合控制

逆變電源廣泛應用于消防、化工、智能樓宇等領域。近年來隨著逆變電源應用領域的增多，應用環境越來越復雜，對逆變電源的性能提出了更高的要求。傳統的逆變電源模擬控制有其固有缺陷，難以滿足高性能、高精度逆變電源的要求，而數字控制不存在模擬控制方法的缺陷，且易于實現數字控制策略，維護方便，已逐步取代模擬控制［1-2］。

重復控制是由INOUET等人針對高精度跟蹤應用場合提出的用于一個周期已知的參考輸人學習控制方法［3］。重復控制因其控制精度高、實現簡單以及控制性能的非參數依賴性，很快成為解決周期性外激勵信號控制問題的一種有效方法。雙閉環控制方法基本思想是以電壓作為外環反饋，電流作為內環反饋，內外環共同作用，能夠在擾動初期快速響應，消除系統的不穩定性，增強系統的動態性能，改善控制效果［4］。

本文重點對雙閉環控制方法及重復控制方法進行研究，詳細分析其特性，并將二者結合構建逆變電源系統復合控制器，保證逆變電源系統具有良好的動靜態性能。針對逆變電源系統應用Matlab進行仿真實驗研究，結果表明采用復合控制方法逆變電源系統動態響應速度快，穩態誤差小，逆變電源系統輸出特性得到較大改善，達到預期的控制要求。

1　雙閉環控制方法研究

雙閉環控制按照反饋電流來源的不同可以分為電感電流型雙閉環控制和電容電流型雙閉環控制［4］。電感電流型反饋具有輸出電壓波形質量高，過載短路能力強等特點，但是對于整流型負載特性較差，而電容型雙閉環控制系統中的反饋電流來自電容，電容電流型系統具有較強的帶整流性負載的能力，系統動態響應快、魯棒性強等優點［5-6］。因此本文采用電容電流型雙閉環控制方法。

電容型雙閉環控制結構圖如圖1所示。

圖1　電容電流型雙閉環反饋控制

電容電流型雙閉環反饋控制結構圖中 Uref為理想正弦波參考輸入，Kv為電壓調節系數，Ki為電流調節系數，Z為負載阻抗，K為升壓變壓器變比，RL濾波電感等效串聯電阻。理想正弦波輸入電壓與反饋電壓信號相比較，經過電壓調節器調整后，作為內環電流給定輸入。內環電流給定輸入與電容反饋電流信號作比較后，得到控制信號，該信號與三角波載波信號形成雙極性 SPWM調制波作為逆變器的驅動信號。分別選擇系統的輸出電壓和參考輸入電壓作為系統輸出和輸入信號，建立系統的傳遞函數

同時建立系統的輸出電壓U0與反饋電流I0之間的傳遞函數

雙閉環控制方法具有動態響應快的優點，但在設計系統時，由式（1）和式（2）可知，系統輸出與負載特性密切相關，系統負載模型不確定性或輸出干擾會使系統存在穩態誤差；同時雙閉環控制系統參數校正的準確程度影響系統的輸出。增大傳遞函數中的電壓系數Kv和電流系數Ki，可以加快系統的響應，而 Kv和Ki不能無限制的增大，Kv過大將會導致系統超調量增加，嚴重時會發生振蕩。Ki過大將導致多次相交的現象發生，系統損耗增加，輸出波形發生畸變。嚴重影響系統的控制效果，所以多次相交的現象一定要避免。

2　重復控制方法研究

重復控制方法是一種基于內模原理的控制方法［7］，其基本思想是假設前一個基波周期中出現的波形畸變會在下一個基波周期的同一時刻出現，然后控制器根據給定的參考信號與反饋信號的差值來確定需要校正的補償值，該補償值被疊加到下一個控制信號來消除基波中相同的畸變。重復控制在 s域的內模形式表達式為［8-9］

式中，L表示給定信號周期，由控制理論可知，上式為正反饋環節，而且延時一個周期，所以上式能夠實現，針對周期出現的干擾信號的累加，按照上述方法可以實現重復控制器的內模［10］。

由于延遲環節的存在，實際應用中大多采用離散形式。重復控制器能夠實現逐周期累加，當無擾動時，輸出量不發生變化。通過重復控制器將此時刻的控制量延時一個周期，下一個周期與當時的控制量共同作用，有效地消除周期性的擾動。理論上該方法存在擾動或誤差時，逐周期累加直至擾動或者誤差為零，實際應用中雖然環境可能變化，仍能夠實現誤差較小的目標。從式（3）可以看出，重復控制器存在延遲環節，導致本周期得到的控制量延遲一個周期輸出，才能發揮控制作用。因此重復控制第一個周期接近為開環，從第二個周期起開始作用，采用該方法動態性能較差［11］。

圖2（a）的結構雖然可以實現逐步減小誤差，進而較好地跟蹤給定信號，但在外部環境變化時，該結構不利于系統的穩定。這種情況在實際工程應用中是不允許的，因此需要將這種結構加以改進。改進后的重復信號發生器如圖2（b）所示，在反饋回路加入輔助補償器Q（z），加入Q（z）后單位圓上的開環極點發生偏移，有利于系統的穩定［12］。

圖2 重復信號發生器

圖2（b）中，由自動控制理論可以得到［13］：

即

式中，Q（z）通常為一個小于1的常數；z-N為基波單位周期延時。當 Q（z）不同時，由文獻［14］給出的波特圖可知，重復控制器頻率特性表現為周期性，幅值處增益主要受Q影響，而相位集中在-90°～90°之間。較大的Q值可使控制器在基波和各次諧波頻率處獲得較高的增益。由式（5）可知，k時刻系統的輸出等于（k-N）時刻輸出的0.98倍與k時刻偏差的和，系統輸入量減小為（k-N）時刻輸出的2%時，系統不發生控制作用。改進型重復控制器結構如圖3所示，其中r為參考輸入，y為系統輸出電壓，d為擾動信號，C（z）為補償環節，P（z）為控制對象。

圖3　改進型重復控制器結構圖

3　復合控制器設計

通過對雙閉環控制方法及重復控制方法的研究可知，雙閉環控制方法具有快速的動態響應，但穩態誤差較大；而重復控制具有穩態誤差小的優點［15］，卻存在動態響應慢的不足，因此本文將二者結合，互補其不足，構成復合逆變電源控制系統，能夠改善系統的動、靜態性能，控制效果良好。其結構圖如圖4所示。

圖4　復合控制系統結構圖

考慮到動、靜態性能對系統的重要性，本文將重復控制器與雙閉環控制器相結合構成復合控制器。采用復合控制方法，當存系統在偏差時，通過重復控制器逐周期地消除偏差，從而獲得較好的跟蹤性能，同時能夠提高系統的動態響應速度。重復控制能夠提高系統的穩態性能，發揮二者各自的優點，有效地提高系統的動、靜態性能。

4　逆變電源系統仿真實驗研究

逆變器拓撲結構采用低頻鏈結構，分為直流輸入單元，重復控制器，驅動器，單相全橋逆變電路，升壓變壓器，輸出濾波器及反饋單元等幾部分組成。實際設計時，輸出濾波器主要負責系統頻率特性的矯正及濾除變壓器輸出的高次諧波作用。逆變電源系統Simulink結構框圖如圖5所示。

圖5　逆變電源系統Simulink結構框圖

針對逆變電源系統對雙閉環控制方法、重復控制方法及復合控制方法分別進行仿真實驗研究。具體仿真參數如下：直流母線電壓為 24V；經過單相全橋逆變電路，升壓變壓器和輸出濾波器后，變為額定輸出電壓為 220V的交流電；額定輸出電壓頻率為 50Hz，濾波電感、電容分別為 L=1mH和 C=40μF，濾波電感等效串聯電阻為0.1Ω，濾波電容等效串聯電阻為 0.01Ω；仿真時間 0.1s。仿真實驗結果如圖6所示，圖中U0為輸出電壓，Uref為參考電壓，I0為輸出電流。

圖6（a）和圖6（b）分別為Kv=2，Ki=3時的仿真實驗曲線。從圖中可以看出，系統動態響應速度較快，但穩態誤差較大。對參數進一步進行調整，取Kv=6，Ki=8，此時仿真實驗曲線如圖6（c）和圖6（d）所示，由圖可知穩態誤差仍較大。圖6（e）、圖6（f）為重復控制方法的仿真實驗曲線，從圖中可以看出，采用重復控制方法雖然穩態誤差小，卻存在動態響應速度慢的不足，控制作用滯后一個周期。因此可以將雙閉環控制方法和重復控制方法相結合，優勢互補，如圖6（g）和圖6（h）響應曲線，可以看出，系統的動態響應速度以及穩態誤差的性能都得到大大改善。

圖6　仿真實驗研究曲線圖

5　結論

本文分別對逆變電源系統雙閉環控制方法及重復控制方法進行了研究，構建了逆變電源系統復合控制器。通過仿真實驗研究驗證了所研究的復合控制方法的有效性，結果表明復合控制方法綜合了雙閉環控制方法和重復控制方法的優點，具有動態響應速度快、穩態精度高的優點。

［1］ 李勇， 王國富， 高平東. 新型單相逆變電源及其控制算法的研究［J］. 電力電子技術， 2013， 47（10）：90-92.

［2］ 楊照輝， 陳紅娟. 基于 SPWM模塊化逆變電源的研究與設計［J］. 電源技術， 2014， 38（7）： 1349-1351.

［3］ Inouet， Iwais， Nakanom. High Accuracy Control of Proton Synchrotron Magnet Power Supply［C］. Proceedings of 8th IFAC World Congress Part3. 1981.

［4］ 程松鶴， 丁喆， 劉艷兵， 等. 基于DSP雙閉環控制的弧焊逆變電源設計與仿真［J］. 電源技術， 2011，35（11）： 1406-1408.

［5］ 葉楠， 何中一， 孟憲會， 等. 逆變器電容和電感電流反饋方式的比較研究［J］. 電氣應用， 2006， 25（9）：107-110.

［6］ 沈蘭蘭， 李海標， 秦澤熙. 基于 SPWM 的逆變技術的研究［J］. 電子技術應用， 2014， 40（8）： 58-61.

［7］ Tsai Miching， Yao Wusung， Design of A Plug-in Type Repetitive Controller for Periodic Inputs. IEEE Trans on Control Systems Technology［J］. 2002， 10（4）： 547-555.

［8］ 胡興柳. 基于重復控制技術的逆變電源研究［J］. 電力電子技術， 2004， 38（4）： 51-53.

［9］ 鞏世昌. 基于重復和模糊自整定PI控制的逆變器復合控制研究［D］. 鎮江： 江蘇大學， 2012.

［10］ 趙金， 延燁華， 徐金榜， 等. 逆變電源重復控制技術的研究［J］. 華中科技大學學報（自然科學版）， 2003，31（12）： 25-28.

［11］ 刁元均， 鄒濱. 基于復合控制的中頻逆變電源研究［J］. 電力自動化設備， 2007， 27（7）： 66-69.

［12］ 王昉， 王晶. 一種基于復合控制的逆變電源并聯技術的研究［J］. 電氣自動化， 2009， 31（3）： 25-26， 35.

［13］ Anwar C G， Tomizuka M. Plug in Repetitive Control for Industrial Robotic Manipulators［C］//Proceedings of IEEE Conference on Robotics and Automation. Automat： IEEE， 1990.

［14］ 滕國飛， 肖國春， 張志波， 等. 采用重復控制的LCL型并網逆變器單閉環電流控制［J］. 中國電機工程學報， 2013， 33（24）： 13-21.

［15］ 武健， 何娜， 徐殿國. 重復控制在并聯有源濾波器中的應用［J］. 中國電機工程學報， 2008， 28（18）： 66-72.

地鐵供電系統電能質量控制系統及方法

近日，國家知識產權局公布專利“地鐵供電系統電能質量控制系統及方法”，申請人為國網山東省電力公司青島供電公司。本發明提供一種地鐵供電系統電能質量控制系統和方法，包括采集裝置，用于采集高壓側和低壓側的電壓和電流；有源濾波器，用于根據采集到的電壓和電流，計算得到諧波電流補償值和無功電流補償值，所述諧波電流補償值等于高壓側的諧波電流分量與低壓側的諧波電流分量之和的相反數，所述無功電流補償值等于高壓側的無功電流分量與低壓側的無功電流分量之和的相反數。

監控裝置用于根據所述諧波電流補償值、所述無功電流補償值和所述有源濾波器的額定容量，確定所述有源濾波器的工作模式；還用于根據所述有源濾波器的工作模式、所述諧波電流補償值和所述無功電流值生成電流補償指令并發送至所述有源濾波器。

Study on Composite Control Method of Inverter Power Supply System

Wang Yuenan1Xu Peng1Guo Jinnan2Zhao Bin1
（1. Changchun University of Technology College of Electrical and Electronic Engineering，Changchun 130012；2. Siping Fire Detachment of Jinlin Province， Siping， Jijlin 136000）

In this paper， the work principle of dual-loop control method and repetitive control method was studied in details. According to its control characteristics integration， the inverter power supply system compound control model was established. A compound control method based on double closed loop control and repetitive control method of the inverter power supply system was proposed. The experimental results was shown that the compound control method has fast dynamic response， small steady-state error characteristics， achieve the desired effect on the inverter power supply system composite control.

invert； dual-loop control； repetitive control； compound control

吉林省科技發展計劃項目資助（20140204026GX）

王越男（1992-），女，吉林省遼源市人，長春工業大學在讀碩士研究生，研究方向為復雜系統建模、優化與控制。