基于復合控制兩級逆變器系統(tǒng)優(yōu)化

吳玉良，王 凱，王成悅，趙藝雷，徐文斌

（合肥同智機電控制技術有限公司，安徽 合肥 236000）

0 引 言

隨著社會科技的進步，逆變器的應用越來越廣。因此對于整體性能有著更高的需求，要求系統(tǒng)輸出電壓具有良好的穩(wěn)定性、響應的快速性以及優(yōu)良的精確性。為了符合系統(tǒng)的性能要求，則需將多種控制算法結合形成復合控制應用于整個系統(tǒng)。

逆變器系統(tǒng)應用主要由單級和兩級串聯(lián)結構組成，其中單級逆變器結構簡單，元器件使用較少，但是單級系統(tǒng)一般沒有電氣隔離，存在一定的安全隱患。兩級串聯(lián)結構有很多種，本文采用的是前級推挽結構串聯(lián)后級全橋逆變電路。該結構具有輸入范圍較寬，同時輸入輸出具有電氣隔離，以及前后級可以進行功率解耦，分別控制等優(yōu)點[1]。

本文主要包括4個部分：首先，闡述了兩級逆變器系統(tǒng)的工作原理；其次，設計了雙環(huán)控制策略和重復控制器，并且搭建整個逆變器系統(tǒng)Simulink仿真模型；然后，系統(tǒng)在不同控制策略下仿真分析對比；最后，將復合控制算法應用在基于TMS320F28069芯片的2 kW逆變器系統(tǒng)中，進一步驗證其控制算法的正確性。

1 二級逆變器系統(tǒng)原理

二級逆變器系統(tǒng)是由前級推挽結構串聯(lián)后級逆變電路組合而成的，其中系統(tǒng)框圖如圖1所示。本文中的直流輸入電壓是20～30 V可變的，然后經過推挽變壓器升壓，再進行二極管整流后給母線電容充電。得到穩(wěn)定母線電壓傳輸給逆變器作為輸入源，經過全橋逆變后再進行LC濾波進而得到220 V/50 Hz正弦交流輸出。

圖1 逆變器系統(tǒng)框圖

其中逆變器采用單極性正弦脈沖調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）的發(fā)波方式，由4個MOS管組成低頻橋臂和高頻橋臂。低頻橋臂是以50 Hz的頻率兩個MOS管交替導通，而高頻橋臂是MOS管開關頻率上下兩管交替導通，且導通的占空比隨著正弦信號變化。為了防止兩組上下橋臂直通，則每組相互導通的MOS管必須留有一定的死區(qū)時間。單極性SPWM控制方式由于存在低頻橋臂，這樣就會減小MOS管開通和關斷損耗。

2 復合控制策略設計

2.1 雙環(huán)控制策略設計

本文采用電壓外環(huán)和電流內環(huán)組成的雙環(huán)控制系統(tǒng)，其中外環(huán)控制輸出電壓的幅值，內環(huán)基準給定是外環(huán)輸出，這樣內環(huán)可以起到輸出限流的目的，同時加快系統(tǒng)響應速度[2]。整個系統(tǒng)控制設計流程圖如圖2所示。

由圖2可知，外環(huán)給定參考電壓與輸出反饋電壓進行比較作差，經過電壓環(huán)PI調節(jié)器后輸出即作為電流內環(huán)的給定值，同時為了防止輸出電流出現(xiàn)擾動信號，所以將負載電流作為前饋補償?shù)诫妷涵h(huán)中，這樣改善了系統(tǒng)抗負載擾動能力。電流環(huán)得到給定值后與反饋的電感電流進行比較作差，再經過PI調節(jié)器后輸出值與三角載波進行比較得到相應的驅動信號，其中在電流環(huán)中也將輸出電壓作為前饋環(huán)節(jié)補償?shù)诫娏鳝h(huán)PI輸出中，同樣提高了電流環(huán)的抗干擾能力[3]。

圖2 雙環(huán)控制流程圖

根據(jù)上述逆變器的原理圖，可得到系統(tǒng)的狀態(tài)方程如式（1）[4]所示：

式中，r為電感的內阻，通過整理可得當系統(tǒng)空載時（R→∞）的傳遞函數(shù)如式（2）：

當系統(tǒng)加入電壓環(huán)和電流環(huán)進行控制時，由圖1整個系統(tǒng)框圖可得出系統(tǒng)在輸入是正弦參考電壓信號時閉環(huán)傳遞函數(shù)分別如式（3）所示：

式中，kvp,kvi,kip,kip分別表示電壓環(huán)的比例和積分系數(shù)以及電流環(huán)的比例和積分系數(shù)；L,C,r分別表示逆變器濾波電感電容還有電感的內阻。將具體參數(shù)設計代入式（3）中，可得如下傳遞函數(shù)：

2.2 重復控制

重復控制是一種基于內模原理的控制方式，主要針對一些周期性的擾動進行抑制，從而實現(xiàn)系統(tǒng)高精度的穩(wěn)態(tài)輸出。由于重復控制是檢測到系統(tǒng)在一個周期的某個時刻出現(xiàn)擾動信號，則認定在下個周期的相同時刻也會出現(xiàn)同樣的擾動信號，進而對下個周期該時刻的信號進行校正補償[5]。在逆變電源中特別是帶非線性負載（RCD負載）時，輸出波形的諧波分量較大且質量較差，采用重復控制其輸出波形將得到改善。由于重復控制是在下一個周期再對系統(tǒng)的擾動信號進行校正，因此系統(tǒng)將會延時一個周期，這也將導致系統(tǒng)的動態(tài)響應變差[6]。本文將重復控制和雙環(huán)控制結合運用，使得系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下，既能夠快速響應又能夠高精度穩(wěn)態(tài)輸出。重復控制的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 重復控制系統(tǒng)框圖

圖3中N表示一個周期的采樣次數(shù)，Q(z)為低通濾波器，C(z)為重復控制的補償器。根據(jù)圖3可得到內模模型的傳遞函數(shù)和差分方程分別如式（5）所示：

通過仿真分析取Q(z)=0.95，這樣由式（5）可得重復控制將上一個周期輸入信號衰減5%疊加到當前周期的誤差信號中，這樣減小了系統(tǒng)的擾動誤差累積過程直到系統(tǒng)穩(wěn)定輸出。圖3中C(z)補償器是重復控制的核心，針對誤差信號進行相位和幅值補償校正，從而快速抑制外部擾動信號，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定輸出。為了簡化數(shù)字控制設計，其中C(z)包括重復控制增益k，相位超前環(huán)節(jié)zk兩部分，如式（6）所示：

逆變器系統(tǒng)中的載波頻率是19.2 kHz，采樣周期也是19.2 kHz，正弦波頻率50 Hz，得到N=384，其中k設計為0.125，仿真分析得出相位補償zk=z8。

2.3 系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)上述圖1系統(tǒng)的原理框圖，可搭建系統(tǒng)的Simulink仿真模型如圖4所示，其中逆變器控制部分采用S-Function編寫。

圖4 二級逆變器系統(tǒng)Simulink仿真模型

3 仿真與實驗結果分析

3.1 仿真結果分析

根據(jù)圖4搭建的Simulink系統(tǒng)模型，利用雙環(huán)控制策略進行不同狀態(tài)下的仿真得到波形如圖5所示，并且通過快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）對額定負載和整流性負載輸出電壓波形進行分析得到總諧波失真（Totel Harmonic Distortion，THD）分別為2.1%和3.6%。

圖5 不同狀態(tài)系統(tǒng)輸出波形

根據(jù)上述系統(tǒng)模型，對其采用雙環(huán)控制和重復控制組合成的復合控制進行仿真分析，得到圖6，并通過FFT進行兩種工況對輸出電壓波形分析得到THD分別為1.07%和2.27%。

圖6 不同狀態(tài)系統(tǒng)輸出波形

通過對比分析上述波形圖可得到，復合控制比雙環(huán)控制在額定負載穩(wěn)態(tài)輸出的情況下電壓輸出的THD更小，動態(tài)性能更好。特別是在整流性負載時，復合控制輸出電壓的THD減小很多。

3.2 實驗結果與分析

本文基于TMS320F28069芯片搭建2 kW逆變器實驗平臺進行驗證仿真結果，輸入是20～30 V直流電，經過推挽升壓到母線電壓，最后通過逆變器控制輸出220 V/50 Hz的正弦交流電。其中逆變器采用復合控制策略，實驗得到驅動波形以及不同狀態(tài)電壓波形如圖7所示。通過對比實驗結果分析可知，復合控制策略與仿真的結果基本一致。

圖7 實驗驅動和不同狀態(tài)輸出電壓電流波形

4 結 論

通過仿真分析可得，復合控制在額定負載和整流性負載情況下，系統(tǒng)輸出的電壓波形THD相比雙環(huán)控制分別減少了約1%和1.3%。同時在動態(tài)投卸載的過程中，復合控制也能快速響應外部擾動。并且實驗結果與仿真結果也是基本保持一致的。綜上所述，由雙環(huán)控制和重復控制形成的復合控制策略使得系統(tǒng)整體的性能得到了一定的改善，輸出波形的質量得到了提高。