基于大功率低頻正逆波逆變器三環(huán)控制技術(shù)的仿真研究

廣州無線電集團 龍慶文

基于大功率低頻正逆波逆變器三環(huán)控制技術(shù)的仿真研究

廣州無線電集團 龍慶文

正弦波逆變器越來越多的應(yīng)用于大功率變換場合，其控制算法是當前的一個研究熱點。基于單相全橋逆變橋拓樸，本文介紹了電壓瞬時值反饋控制的雙極性PWM調(diào)制技術(shù)的原理和優(yōu)缺點，提出了一種新型的適用于大功率正弦逆變器的控制策略，分析了其原理和特點。采用Matlab軟件進行了仿真研究，結(jié)果表明，所提出的新策略既能輸出品質(zhì)好、諧波低的正弦波，同時系統(tǒng)具有優(yōu)良的穩(wěn)定性、動態(tài)特性。

同相調(diào)制；控制策略；三環(huán)反饋；仿真

1. 引言

隨著低頻正逆波逆變器越來越多的應(yīng)用于大功率變換場合，其控制方法也成為人們當前研究的一個熱點。傳統(tǒng)正逆波逆變器采用電壓瞬時值單一反饋環(huán)控制的雙極性PWM調(diào)制技術(shù)，在大功率應(yīng)用中因功率開關(guān)管開關(guān)電流大，兩端電壓高，開關(guān)頻率增大將使開關(guān)管損耗嚴重，低開關(guān)頻率又會導(dǎo)致輸出波形差等問題［1］；由于受控對象存有二階傳遞函數(shù)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)性能也不理想。本文提出了一種新的適用于大功率正弦波逆變器的控制策略，該策略將單相全橋逆變器的同相PWM調(diào)制技術(shù)與三環(huán)反饋控制方法結(jié)合起來，使逆變器在開關(guān)頻率不變時能等效提高開關(guān)頻率，方便了變壓器、濾波器的設(shè)計，且輸出電壓是低諧波含量的高品質(zhì)正弦波，同時系統(tǒng)具有優(yōu)良的穩(wěn)壓特性、動態(tài)特性。通過仿真實驗對該策略的性能與優(yōu)點加以分析和證實。

2. 新型逆變器控制方法原理

2.1雙極性電壓外環(huán)控制法

雙極性PWM控制方式是目前在逆變器中應(yīng)用最為廣泛的方法。圖1為單相全橋逆變電路拓樸結(jié)構(gòu)。

圖1 單相全橋逆變電路拓樸結(jié)構(gòu)Fig.1 The topology of single-phase full-bridge inverter

對功率開關(guān)器件采用SPWM控制， 單相全橋逆變電路的傳統(tǒng)控制策略一般采用的雙極PWM控制方式，每個模塊的SPWM信號是由三角載波和正弦調(diào)制波比較產(chǎn)生，其原理如圖2所示，工作時，V1和V2的通斷狀態(tài)互補，V3和V4的通斷狀態(tài)也互補。具體的控制規(guī)律如下：在信號波的ur的正半周期，當ur＞uc時，給V1和V4以導(dǎo)通信號，給V2和V3以關(guān)斷信號；當ur＜uc時，給V1和V4以關(guān)斷信號，給V2和V3以導(dǎo)通信號［2］。

采用雙極性PWM控制方式時，我們通常對單相全橋逆變拓樸采用電壓瞬時值反饋控制算法［3］，通過輸出電壓瞬時值與給定正弦波信號作比較，根據(jù)實際值與期望值的偏差來實時地調(diào)整逆變器開關(guān)管的驅(qū)動脈寬，電壓瞬時值反饋使逆變器的性能得以提高。但由于受控對象具有接近無阻尼的二階傳遞函數(shù)，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)性能不佳，所以該方法的控制性能不理想。

2.2新型同相三環(huán)控制策略

根據(jù)雙極性電壓瞬時反饋控制算法的缺點，提出了一種新型的三環(huán)反饋控制策略，這種控制策略考慮正弦調(diào)制波水平方向上的自由度［4］，采用兩組正弦波對橋臂單獨控制，并與三環(huán)反饋控制方法相結(jié)合，下文先對該控制策略的原理做簡要介紹。

2.2.1同相調(diào)制原理

單相全橋逆變電路的同相調(diào)制技術(shù)如圖2所示，同相控制實質(zhì)上是一種分相調(diào)制方案［5］，它將單相全橋看成兩個單相半橋的組合，左右橋臂各采用不同的信號波，信號波具有相同的頻率和幅值，但右橋臂調(diào)制波滯后左橋臂調(diào)制波180°。兩個半橋的載波信號采用同一個三角波，對于左半橋，當ur＞uc時，V1導(dǎo)通V2關(guān)斷，當ur＜uc時，V1關(guān)斷V2導(dǎo)通；對于右半橋，當-ur＞uc時，V3導(dǎo)通V4關(guān)斷，當-ur＜uc時，V3關(guān)斷V4導(dǎo)通。

圖2 同相PWM調(diào)制技術(shù)原理Fig.2 The principle of in-phase PWM modulation method

2.2.2同相三環(huán)反饋控制算法

新的方案將單相全橋逆變器的同相PWM調(diào)制技術(shù)與三環(huán)反饋控制方法結(jié)合起來。三環(huán)反饋控制方法如圖3所示，保留電壓瞬時值檢測，電壓調(diào)節(jié)器輸出后，先與采樣的電容電流瞬時值進行比較，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器后產(chǎn)生信號波，同時在電壓瞬時值外環(huán)增加一電壓有效值最外環(huán)，在三環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)中，電容電流瞬時值反饋環(huán)是內(nèi)環(huán)，電容電壓瞬時值反饋環(huán)是外環(huán)，電壓有效值反饋環(huán)是最外環(huán)。濾波電容電流的引入后，從電壓瞬時值調(diào)節(jié)器的輸出到電容電流之間的部分被反饋包絡(luò)，可以近似成一個的比例環(huán)節(jié)，就像一個受控的電流源，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高［6］。

圖3 同相三環(huán)反饋控制原理圖Fig.3 The principle of in-phase tricyclic feedback control

3. 仿真及結(jié)果分析

3.1仿真實驗

為了比較新舊兩種PWM調(diào)制法的控制效果， 分析其利弊，利用仿真軟件MATLAB 對兩種PWM控制方法進行了仿真。建立一個由PWM控制電路和單相逆變電路組成的系統(tǒng)模型，如圖4所示。交流三相380V整流濾波后母線電壓Udc=550V，輸出變壓器變比N為2，調(diào)制波頻率為50Hz，輸出給定值為0.8，開關(guān)頻率fs=10KHz，輸出濾波電感L=50UH，輸出濾波電容C=200UF，負載采用5KW阻性負載。

圖4 系統(tǒng)仿真模型Fig.4 System Simulation Model

式中：Jk表示k階貝塞爾函數(shù)。從式（1）可以看出，逆變器輸出電壓中的高次諧波分布在整數(shù)倍的載波頻率附近，在所有高次諧波中，載波頻率諧波是幅值最大的諧波，對逆變器輸出電壓波形的影響最大［8］。采用同相PWM控制方式時，逆變器輸出電壓為：

圖5為分別采用雙極性電壓環(huán)反饋控制和同相三環(huán)反饋控制時的相電壓頻譜圖，不難看出，同相雙極性調(diào)制時的諧波次數(shù)主要在200次附近，雙極性調(diào)制的諧波次數(shù)主要在400次附近。由仿真結(jié)果可知，采用同相調(diào)制時，諧波次數(shù)是同相調(diào)制的兩倍，這有利于變壓器及輸出濾波器的設(shè)計。

圖5 兩種控制策略輸出電壓頻譜圖Fig.5 The output voltage spectrum graph of this two scheme

3.2.2動態(tài)特性

在三環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)中，電容電流控制內(nèi)環(huán)對包含在環(huán)內(nèi)的各種擾動如非線性負載，死區(qū)時間、溫度漂移、突加突減等能起到及時的調(diào)節(jié)作用，因此能夠有效的提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性［9］。圖6為分別采用雙極性單環(huán)調(diào)制和同相三環(huán)調(diào)制時新舊兩種方法突加突減5KW阻性負載時得到波形，由圖6可知，新的控制方法加、減載時輸出電壓波動小，調(diào)整速度快。

3.2.3穩(wěn)定性

單一的電壓瞬時值反饋控制在空載時輸出電壓易發(fā)生振蕩，因而輸出電壓波形品質(zhì)不是很好。在新的控制策略中， 電流環(huán)具有將濾波電容電流改造為可控的電流源的作用，使控制輸入和輸出電壓間的二階傳遞函數(shù)變?yōu)榫哂袉螛O點的傳遞函數(shù)，因而系統(tǒng)穩(wěn)定性能大大提高［10］，電容電壓控制外環(huán)用于確保輸出電壓跟蹤正弦參考電壓。新舊兩種方法輸出電壓、電流波形示于圖7。

圖6 兩種控制策略輸出動態(tài)電壓Fig.6書The output dynamic voltage of this two scheme

圖7 兩種控制策略穩(wěn)態(tài)輸出電壓及電流波形Fig.7 The stabile output voltage and current wave of this two scheme

4. 結(jié)論

從仿真結(jié)果可知，本文提出的同相三環(huán)反饋控制策略繼承了同相PWM調(diào)制技術(shù)與三環(huán)反饋控制方法的優(yōu)點，總結(jié)如下：（1）在開關(guān)頻率不變時，控制策略使等效開關(guān)頻率提高到原來的2倍，具有更好的諧波特性。（2）電容電壓及電流瞬時值控制環(huán)增加了負載電流對輸出的擾動，有效的提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性。（3）穩(wěn)定特性更好， 具有更好的輸出電壓波形。（4）帶電壓瞬時值反饋控制的雙極性PWM調(diào)制技術(shù)在高壓大功率級聯(lián)型變換器已有很成熟的應(yīng)用，新方案只需增加兩路輸出采樣，就可以在原有系統(tǒng)硬件不變的基礎(chǔ)上，對軟件算法做相應(yīng)更改來實現(xiàn)，具有重要的現(xiàn)實意義。

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龍慶文（1983-），男，江西吉安人，2009年7月碩士畢業(yè)于湖南大學(xué)電力電子專業(yè)，現(xiàn)供職于廣州無線電集團，主要從事大功率逆變電源、開關(guān)電源相關(guān)研制工作。