帶LC濾波器的逆變器雙環控制改進策略研究

周再游，文中，許維忠，陳焰發，饒希達

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002； 2.宜昌電力勘測設計院，湖北 宜昌 443002)

帶LC濾波器的逆變器雙環控制改進策略研究

周再游1，文中1，許維忠2，陳焰發2，饒希達1

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002； 2.宜昌電力勘測設計院，湖北 宜昌 443002)

從逆變器的模和控制入手，針對電容電流(電感電流內環)、負載電壓外環的雙PI控制存在的缺點，提出了電流內環采用電感電流瞬時反饋和負載擾動前饋補償相結合的PR控制改進策略，并對此改進的雙環控制策略建立了逆變器的控制模型，最后根據逆變器的控制模型，構建了單相電壓型 PWM 逆變器的simulink仿真模型，對SPWM電壓電流雙環控制系統模型進行了仿真分析，結果表明：系統設計合理，改進控制策略效果滿意。

逆變器；電感電流內環；負載擾動前饋； PR控制；建模仿真

1 引言

逆變電路可實現直流電能到交流電能的變換，已被廣泛地應用于電力系統、家用電器、交通運輸、工業電源和航空航天等領域。將逆變技術應用于照明系統節能，既可以利用綠色能源(太陽能和風能等)，減少對環境的污染；同時也可以節約電量，提高能源效率。

在現代逆變電源中，控制電路和主電路同樣重要。理論上，SPWM逆變器輸出電壓中的諧波分量集中在開關頻率及其倍頻數為中心的周圍，當此諧波被濾波器濾除后，輸出電壓應為失真度很小的正弦波。但由于死區效應、非線性負載等因素的影響，會使輸出電壓波形產生嚴重的畸變。逆變器輸出的電壓或電流諧波不僅會造成功率因數降低，影響效率，而且還可能引起逆變器自身及其它設備的失調。這些都需要合適的控制技術來改善逆變電源的性能。目前較為成熟，控制效果較好的瞬時值控制方案有電壓單環PID控制，電壓電流雙閉環控制，重復控制，無差拍控制等。其中，電壓外環電流內環的雙閉環控制方案是高性能逆變電源的發展方向之一[1]。目前的電流內環普遍采用濾波電感電流或濾波電容電流內環控制，采用電感電流內環控制時可以對逆變器進行限流保護，但抗輸出擾動性能比較差，而采用濾波電容電流內環控制時逆變器雖具有較強的帶負載能力，但無法對逆變器進行限流保護。另外，電流內環常用的PI控制雖然具有算法簡單、可靠性高的優點，但無法做到零穩態誤差[2-3]。

針對上述電流內環控制存在的不足，本文提出電流內環采用電感電流瞬時反饋和負載擾動前饋補償相結合的PR控制策略，該控制策略既具有抗輸出擾動能力也能對逆變器進行限流保護，而且PR控制可以實現零穩態誤差。

2 逆變器的模型

2.1 單相電壓型逆變器數學模型

單相逆變器是三相逆變器的基礎，研究三相逆變器時可以將三相逆變器簡化為單相逆變器進行分析，因此，先從最簡單的單相逆變器進行介紹，弄清了單相逆變器的建模和控制后，三相逆變器的建模和控制也會迎刃而解。而單相逆變器中電壓型逆變器應用得比較多，電流型逆變器應用得比較少。所以，下面介紹單相電壓型逆變器的數學模型。

圖1 單相電壓型逆變器的數學模型

帶濾波器的單相逆變器的主電路結構如圖1所示。 圖中L為輸出濾波電感，C為濾波電容，逆變器工作在雙極性方式，直流電壓源E通過功率開關器件向負載提供交流電，功率開關在每個周期內開通和關斷一次，逆變橋的輸出電壓 可以取+E和-E兩個值。

(1)

當忽略濾波電感的等效串聯電阻r時，上式可簡化為：

(2)

雙極性SPWM調制時，Vi可以表示為：

Vi=E(2S-1)

(3)

式中，S為開關函數。

當S1、S3導通時，S=1；當S2、S4導通時，S=0。

顯然，由于開關函數S的存在，式(3)中vi不連續。對式(3)求開關周期平均，得到

TS=E(2TS-1)

(4)

這里TS表示vi的開關周期平均值。而S的開關周期平均值

(5)

式中，D(t)為占空比

(6)

式中：vm為參考正弦波信號；vtri為三角載波峰值。

把(5)代入(4)得，

所以有從逆變器輸入到逆變器輸出的傳遞函數為：

(7)

2.2 逆變器的雙環控制策略

基于雙環控制的單相電壓型逆變器，電流內環有兩種控制方法。控制電感電流和電容電流。選擇濾波電容電流ic作為內環反饋可以使ic被瞬時控制，從而使得輸出電壓uc因ic是uc的微分作用而提前得到矯正，逆變器具有較強的帶負載能力，因而選擇ic作為內環反饋在電壓型逆變器中應用比較廣泛。但是，這種方式無法對逆變器進行限流保護。由于對逆變器的過流保護必須限制輸出濾波電感的電流，因此，也有選擇電感電流iL作為內環反饋。采用電感電流作為內環的控制方法有輸出限流的功能，即使在輸出短路的情況下，輸出電流也不會很大，而是被限定在設定的電流值。這增加了系統的可靠性，對逆變器過載有較好的保護作用。但由于iL為lc和負載擾動之和，內環在抑制ic變化的同時也抑制了輸出電流i0的突變，所以抗輸出擾動性能比較差。綜合考略電感電流內環和電容電流內環的優點，提出電流內環采用電感電流瞬時反饋和負載擾動前饋補償相結合的控制策略。單相逆變器雙環控制系統框圖如圖2所示。電壓外環采用PI調節器，使得輸出電壓波形瞬時跟蹤給定值；電流內環也采用PI調節器跟蹤給定電流，電流調節器的比例環節用來增加逆變器的阻尼系數，使整個系統工作穩定，并且保證有很強的魯棒性。忽略電阻r，雙環控制系統框圖如圖2所示。

圖2 雙環控制系統框圖

3 仿真模型

3.1 仿真模型及結果

逆變器的雙環控制仿真參數如下：

直流電壓源E=380V，參考電壓Vref=311sinωt，濾波電感L=660μH，濾波電容C=22μH，電阻r=0.1Ω，負載為純電阻性，R=15Ω。電壓外環采用PI控制的P參數為Kp=0.1，I參數為KI=10，電流內環的P控制參數為Kp=1。

在四種不同運行條件下進行仿真實驗。

(1) 額定負載；

(2) 直流電源含有諧波(幅值為50V，頻率為150Hz)運行；

(3) 突加突減額定負載運行,逆變器先空載運行，在0.02s突加額定負載，到 0.08s時突然甩掉全部負載；

(4) 能量回饋運行，負載中含有交流電源(幅值為380V，頻率為50Hz)，能量向直流側回饋。四種運行條件下，負載電流和電壓的波形如圖3～圖6所示。

3.2 仿真結果分析

仿真結果表明，基于狀態空間平均法建立的逆變器數學模型不依賴于具體的負載類型，能在不同的負載條件下獲得高質量的輸出電壓波形；電壓電流雙環控制策略使逆變器能獲得較快的動態響應速度和較高的穩態精度。

(1)逆變器動態響應速度快，在四種運行條件都可以在一個周期之內可以進入穩態。

(2)逆變器的輸出電壓穩態精度高，在各種運條件下偏差不超過0.4%。

(3)輸出電壓波形質量高，諧波含量少，總諧波畸變率(THD)不超過3%，進入穩態后值后不超過0.2%。

圖3 額定負載下的逆變器輸出電壓電流波形及輸出電壓的FFT分析

圖4 直流電源含諧波運行條件下逆變器輸出電壓電流波形及電壓FFT分析

圖5 突加突減負載運行條件下逆變器輸出電壓電流波形及輸出電壓FFT分析

圖6 負載回饋運行逆變器輸出電壓電流波形及電壓FFT分析

表1 逆變器輸出電壓與指令電壓偏差百分比

運行條件電壓偏差(%)0～0 02s0 02～0 08s0 08～0 1s(1)-0 32-0 29-0 29(2)-0 35-0 29-0 26(3)-0 35-0 29-0 26(4)0-0 26-0 22

表2 逆變器輸出電壓諧波畸變率

(4)系統具有很強的魯棒性，可以抵抗直流電源諧波擾動的影響，在實現能量回饋時，也能夠保高質量的輸出電壓。

4 結論

本文基于狀態空間法建立了單相逆變器的數學模型，采用了瞬時電壓外環控制，電感電流內環控制，并加入了負載擾動前饋補償，對單相電壓型逆變器的雙環控制進行仿真分析，經過仿真結果分析可得，該雙環控制改進策略在擾動情況下輸出電壓效果滿意，滿足諧波畸變率和電壓幅值的要求。

[1] 朱承邦,李樂,王曉鵬.基于SPWM控制的電壓、電流雙環逆變器建模及其仿真[J].中國船舶研究，2009,4(5).

[2] 楊會敏，宋建成.基于雙環控制的單相電壓型PWM 逆變器建模與仿真[J].電氣傳動自動化，2009,31(1).

[3] 王健，王亞慧.帶LC濾波器的PWM逆變器建模研究[J].北京建筑工程學院學報，2007,23(1).

[4] 王川川，等.逆變器雙環控制算法仿真研究[J].電子設計工程，2011,19(4).

[5] 鄧嘉.基于重復控制和預測控制的逆變電源控制研究[D].浙江大學，2008.

[6] 張雙文,張德華.PWM型諧振直流環逆變器的建模與仿真[J].機電工程，2008,25(2).

[7] 蔡磊,錢照明,彭方正.Z源單相并網逆變器控制的實現[J].電力電子技術,2008,42(7).

[8] 李鑫，姚勇濤.采用電容電流內環的逆變器雙閉環控制研究[J].電氣傳動，2008,38(2).

[9] 周林，等.單相光伏并網逆變器建模與控制技術研究[J].太陽能學報,2012,33(3).

[10] 李鑫，姚勇濤，等.采用電容電流內環的逆變器雙閉環控制研究[J].電氣傳動，2008,38(2).

[11] 趙清林，郭小強，等.單相逆變器并網控制技術研究[J].中國電機工程學報，2007,27(16).

[12] 楊會敏，宋建成.基于雙環控制的單相電壓型PWM 逆變器建模與仿真[J].電氣傳動自動化，2009,31(1).

Study on Improving Strategy of the Double Loop Control of the Inverter with LC Filter

ZHOUZai-you1,WENZhong1,XUWei-zhong2,CHENYan-fa2,RAOXi-da1

(1.Electrical and New Energy Institute,Sanxia University,Yichang 443002,China;2.Yizhang Power Survery and Design Institute,Yichang 443002,China)

Starting with the model and control of the inverter,for the shortcomings of capacitance current (internal loop of inductance current) and double PI control of extenal loop of load voltage,propose that the internal loop of current adopts PR control imprrving strategy of inductance current instantanus feed back combined with load disturbance feed forward compensation,and set up the control model of the inverter of improved double loop contral strategy for this.Finally,according to the control model of the inverter,structure simulink simulation model of a single phase voltage PWM inverter. Simulaion analysis of SPWM voltage current double loop control system model is carried out.The result shows the system design is proper and the improved control strategy is fine.Key words：inverter;internal loop of inductance current;load disturbance feedforward; PR control;modeling simulation

1004-289X(2015)02-0069-05

TM464

B

2014-03-22

周再游(1979-)，男，碩士研究生，主要研究方向：輸電線路運行與維護; 文中(1968-)，男，碩士，副教授，主要研究方向：輸電線路運行與維護; 許維忠(1973-)，男，工程師，主要研究方向：輸電線路設計; 陳焰發1979-)，男，工程師，主要研究方向：輸電線路設計; 饒希達(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：輸電線路運行與維護。