基于逆變電源雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的探討

丁星

【摘 要】現(xiàn)在無線通信技術(shù)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)中，同時(shí)電能在其中具有無可替代的作用。為了使電能可以最大化的利用，電力能源要進(jìn)行能源交換，這個(gè)過程是通過電力電子技術(shù)完成的，逆變電源電壓輸出波形主要有三個(gè)方面，分別是穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)性能好以及負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，逆變電源為了滿足這個(gè)需求設(shè)置了雙閉環(huán)回路。逆變電源雙閉環(huán)系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，比如節(jié)約能源、減少成本、提高工作質(zhì)量等。

【關(guān)鍵詞】電力電子；逆變電源；雙閉環(huán)回路控制

一、逆變電源控制方法介紹

在現(xiàn)代的社會(huì)中，人們追尋在保證質(zhì)量的同時(shí)追求速度，電能在各個(gè)行業(yè)中都起到了一定的影響，尤其是在石油化工生產(chǎn)中。為了最大化的利用電能，電子能源需要進(jìn)行能量交換，這個(gè)過程是通過電力電子技術(shù)完成的。然后被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，這樣可以有效節(jié)約能源、減少成本、降低環(huán)境污染等。在1964年，有學(xué)者曾提出脈寬調(diào)制變頻的思想，它主要是將電網(wǎng)恒壓恒頻交流電變?yōu)榭勺冸娏鳎硎窃赑WM逆變器上加入電壓源，這個(gè)電壓源是由不可控整流器整流經(jīng)電流濾波形成的，在回路中安裝控制逆變器開關(guān)組件來控制通斷，最后逆變器將直流電逆變成幅值頻率可變的交流電。脈寬調(diào)制方式是決定開關(guān)組件通斷時(shí)刻和順序，改變脈寬可調(diào)節(jié)逆變器輸出基波的幅值，改變可調(diào)節(jié)的頻率。我們對電壓瞬時(shí)值單環(huán)反饋控制、電流滯環(huán)控制、電壓雙環(huán)反饋控制三種逆變器控制方法作出了分析和探究。

1.電壓瞬時(shí)值單環(huán)反饋控制主要是為了解決電壓平均值反饋中存在的問題，換種方式就是采用電壓平均值反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度比較慢，負(fù)載適應(yīng)性也比較差。在系統(tǒng)中采用了電壓瞬時(shí)值反饋控制策略，這是為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓的波形控制。采樣變壓器會(huì)減低逆變器輸出的電壓值，讓系統(tǒng)的電壓始終保持在平均值上下。輸出電壓和給定電壓之間會(huì)存在或大或小的誤差，產(chǎn)生的誤差會(huì)經(jīng)過PI電壓調(diào)節(jié)器，輸出信號(hào)與正弦信號(hào)通過相關(guān)的計(jì)算來調(diào)整信號(hào)的幅值，所得的結(jié)果被作為某些數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)，比如瞬時(shí)值反饋。另一路輸出中，產(chǎn)生的誤差信號(hào)與三角波載波進(jìn)行比較，得到最終的SPWM，SPWM被當(dāng)做控制性，用來驅(qū)動(dòng)IG-BT開關(guān)。

2.電流滯環(huán)控制。電流反饋控制與電壓反饋控制相比，電流反饋控制的方式較為新穎。電流控制方法是以電壓控制策略為基礎(chǔ)，解決一些電壓控制策略不能完成的問題，比如電源系統(tǒng)輸入輸出電流的可控性。滯環(huán)電流控制方式有四個(gè)特點(diǎn)分別是系統(tǒng)對于瞬時(shí)值反饋的速度比較快，穩(wěn)定性比較高，容易防止變壓器偏磁現(xiàn)象，開關(guān)頻率不固定。

3.電壓電流雙環(huán)反饋控制。電壓外環(huán)采用瞬時(shí)值反饋，然后接收輸出電壓的瞬時(shí)誤差，讓系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)信號(hào)。調(diào)節(jié)信號(hào)需要經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，信號(hào)在經(jīng)過調(diào)節(jié)后作為電流控制給定。電流的內(nèi)環(huán)比較的產(chǎn)生誤差信號(hào)是來源于電感電流瞬時(shí)值和電流給定值，然后誤差信號(hào)與三角波載波進(jìn)行比較，最后產(chǎn)生SPWM信號(hào)。因此，設(shè)置電壓電流雙環(huán)反饋控制的目的在于可以實(shí)現(xiàn)電流幅值的自動(dòng)控制，在不同負(fù)載的情況下，系統(tǒng)對電流的給定值進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，這就是電流幅值可控。

中小功率單相并網(wǎng)逆變器中一般來說輸出濾波器的電容比較小，所以可以考慮采用雙環(huán)控制策略，這種控制策略比較簡單。其中并網(wǎng)逆變器的直流電壓外環(huán)采用的是pi調(diào)節(jié)器，通過穩(wěn)定直流側(cè)電壓來實(shí)現(xiàn)逆變器輸入和輸出能量的平衡。電流內(nèi)環(huán)的電流幅值參考值由外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出指定外環(huán)調(diào)節(jié)器使直流電壓，通過檢測可以得出電網(wǎng)電壓的相位角，經(jīng)過一系列計(jì)算，可以得出瞬時(shí)輸出電流的參考信號(hào)。電流內(nèi)環(huán)采用的也是PI調(diào)節(jié)器，與外環(huán)相比采用的pi調(diào)節(jié)器較為簡單，這種調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)電流的快速控制。因?yàn)橛须娋W(wǎng)電壓不平衡的情況，所以工作人員在實(shí)際工作中需要加入一個(gè)電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，這個(gè)環(huán)節(jié)可以抵消電網(wǎng)電壓對并網(wǎng)電流產(chǎn)生的影響。根據(jù)補(bǔ)償原理可以得出，加入電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，就是在控制方式上運(yùn)用開環(huán)方式，然后補(bǔ)償可測量的干擾信號(hào)，這個(gè)不會(huì)影響控制系統(tǒng)的特性和穩(wěn)定性。而且前饋控制可以幫助反饋控制分擔(dān)責(zé)任，減小反饋控制系統(tǒng)的增益，這樣也這樣可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。加入電網(wǎng)電壓前饋控制的目的是為了控制電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)，具體的工作流程是電流環(huán)的輸出與電網(wǎng)電壓的前饋信號(hào)相結(jié)合，相結(jié)合的信號(hào)經(jīng)過spwm調(diào)制后在驅(qū)動(dòng)開關(guān)管輸出，這個(gè)工作流程實(shí)現(xiàn)了單相逆變器的并網(wǎng)控制。

以上敘述的基于pi調(diào)節(jié)器的單相并網(wǎng)逆變器的雙環(huán)控制雖然控制簡單，但是存在一些問題，比如電流環(huán)不能實(shí)時(shí)跟蹤電流、輸出濾波的電容比較大、系統(tǒng)不穩(wěn)定等。雙環(huán)系控制中主要電壓前饋來抑制電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)，電網(wǎng)電流還可以采用比例諧振調(diào)節(jié)器，這樣可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流的無靜差控制。內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過spwm調(diào)制后驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，這樣就可以實(shí)現(xiàn)單相逆變器的并網(wǎng)控制。

二、雙閉環(huán)控制的仿真

1.電流環(huán)。電流環(huán)的設(shè)計(jì)是為了保證電流閉環(huán)有較好的穩(wěn)定性，同時(shí)提高電流閉環(huán)對瞬時(shí)值的反應(yīng)和抗擊干擾性能。我們對系統(tǒng)的開環(huán)幅相頻特性曲線做出分析，可以得知，沒有經(jīng)過校正的開環(huán)系統(tǒng)的相頻特性小于90度。因此，它恒有大于90度的相位裕度，這時(shí)系統(tǒng)對于任何開環(huán)增益都是穩(wěn)定的。在實(shí)際的工作中，我們?yōu)榱吮ＷC電流閉環(huán)以后的系統(tǒng)不發(fā)生一系列的變化，比如階次、相角滯后等。通常工作人員對于電流環(huán)的補(bǔ)償器設(shè)計(jì)比較簡單，電壓外環(huán)與之相比更為復(fù)雜。內(nèi)環(huán)只需要安裝一個(gè)比例調(diào)節(jié)器，且比例調(diào)節(jié)器的構(gòu)成也比較簡單。通過調(diào)節(jié)電流環(huán)調(diào)節(jié)器系數(shù)比例得到不同系數(shù)下的幅相頻特性曲線，對圖片進(jìn)行分析可以得知，調(diào)節(jié)系數(shù)對系統(tǒng)的帶寬有一定的影響，換句話說就是調(diào)節(jié)系數(shù)的變化可以擴(kuò)大系統(tǒng)的帶寬。調(diào)節(jié)系數(shù)還可以對系統(tǒng)的抗干擾能力產(chǎn)生影響，因此，在選擇適宜的調(diào)節(jié)比例系數(shù)時(shí)，要綜合系統(tǒng)的寬帶和抗干擾能力兩種因素做出判斷。

2.電壓外環(huán)。電壓外環(huán)的主要作用是調(diào)節(jié)輸出電壓并且跟蹤參考波形。對系統(tǒng)的負(fù)相頻特性曲線進(jìn)行分析，我們可以得知，系統(tǒng)的開環(huán)增益不大，但輸出的穩(wěn)態(tài)誤差很大。因此要增加補(bǔ)償環(huán)節(jié)，在實(shí)際的工作過程中工作人員需要注意的是增加適當(dāng)?shù)沫h(huán)節(jié)，切記過量或少量。我們可以利用PI調(diào)節(jié)器來增加系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，主要的措施是對pi調(diào)節(jié)器進(jìn)行串聯(lián)。

3.電壓電流雙閉環(huán)控制。為了改善控制效果，工作人員可以將電流環(huán)調(diào)節(jié)器部分換成比例-積分控制器pi，增加一個(gè)積分環(huán)節(jié)可以增加輸出波形的控制精度。系統(tǒng)的開環(huán)增益一旦上升就有利于改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小穩(wěn)態(tài)的誤差。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以得出，pi綜合控制器可以以增加開環(huán)增益，改善單個(gè)pi控制器的相角裕度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小系統(tǒng)的振蕩。

總結(jié)

逆變電源設(shè)計(jì)開發(fā)中，變壓器的設(shè)計(jì)至觀重要。變壓器設(shè)計(jì)可以直接影響逆變電源的工作性能和效率，在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)可以依據(jù)好壞參數(shù)，選擇的準(zhǔn)確與否來判斷。為了使系統(tǒng)達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的各項(xiàng)參數(shù)時(shí)可以將電源看成一個(gè)系統(tǒng)也可以將逆變電源看成一個(gè)系統(tǒng)。重復(fù)控制方法的特點(diǎn)是重復(fù)的進(jìn)行擾動(dòng)，根據(jù)周期來修正輸出電壓，這樣就可以得到更加準(zhǔn)確的輸出電壓波形。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中表明，一只逆變電壓在負(fù)載變化嚴(yán)重當(dāng)或者非線性負(fù)載條件下的輸出電壓發(fā)生變化，保持輸出波形的質(zhì)量方面，重復(fù)控制有很好的效果。DSP在逆變電源控制領(lǐng)域有著不可替代的作用，有著很大的優(yōu)越性，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的振蕩次數(shù)明顯減少，增加了穩(wěn)定性，系統(tǒng)的快速性、相對穩(wěn)定性和跟蹤效果都得到了相應(yīng)的提高。

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（作者單位：武漢理工大學(xué)）