基于電容電流內環的單相逆變器控制策略研究

王文兵，王 凱，張 華

（1.合肥同智機電控制技術有限公司，安徽 合肥 230000；2.中國人民解放軍32382部隊，北京 100071；3.陸軍裝備部駐南京地區軍事代表局駐合肥地區軍事代表室，安徽 合肥 230000）

0 引 言

隨著電力電子技術的不斷發展，逆變電源在多種場合得到了廣泛應用，相關行業不但要求逆變電源帶電阻負載的穩態輸出波形呈正弦化，而且對逆變電源的動態特性、帶非電阻負載特性也提出了更高的要求。目前，開環逆變器已經無法滿足上述要求，閉環控制策略一般采用雙環控制方案，分別是電壓外環與電流內環。電流內環一般采用平均值電流控制，目前有兩種方案，分別采用檢測濾波電感電流和電容電流作為反饋[1,2]。帶線性負載時，逆變器電感電流控制方式可以提高輸出電壓波形質量，具有很強的抗負載短路能力。需要注意的是，電感電流內環對負載擾動作用不明顯，特別在逆變電源帶非電阻負載時，輸出波形不太理想[3,4]。隨著民用與軍工場所對計算機通信用整流設備的廣泛應用，相應地，對逆變器帶整流性設備負載也提出了更高的技術要求。相關學者提出了以電容電流為反饋變量的逆變器控制策略技術，基于這種控制策略設計的逆變電源能夠提高帶整流性的負載能力，在各種負載下的逆變器輸出特性（例如輸出電壓波形、動態響應速率）得到明顯改善。其中，比例積分微分（Proportional Integral Derivative，PID）控制算法一直以來廣泛應用于逆變控制策略中。近年來，人們提出了多種控制算法，例如基于無差拍控制、基于重復控制、預計模糊控制等，這些算法的某一環節中均會涉及PID控制算法[5-10]。

1 單相全橋逆變器基本工作原理

單相全橋逆變器電路的基本結構如圖1所示，直流側電壓U1經過脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）調制后產生橋側電壓U2，U2通過電感電容（Inductive Capacitance，LC）濾波器得到輸出電壓U0，電路等效電阻為r，電感為L，電容為C，負載為R。

圖1 單相全橋逆變器電路

輸出電壓可以用s域傳動函數模型表示，故逆變器U1到U0的傳遞函數為：

式中：i0為負載電流。

空載時不考慮等效串聯電阻r，傳遞函數可以簡化為：

由于等效串聯電阻r的值很小，逆變器空載時可以近似為一個二階無阻尼震蕩系統，震蕩最為劇烈且控制難度最大，因此控制系統的設計必須基于空載來進行。

2 電容電流內環控制策略

采用電壓環與電流環雙閉環控制策略，電壓環外環采用輸出電壓的瞬時值，電流環內環采用濾波電容電流ic作為內環控制反饋量。由于電容電流是輸出電壓的微分，通常代表輸出電壓的變化趨勢，具有前饋的特性，因此電壓環的動態響應時間會比電流環的長。ic被控制相當于提前對Uc電壓變化進行校正，控制環路對負載的擾動變化反應很快，能夠同時達到增強帶載能力和改善系統動態響應性能的目的，但缺點是不能對逆變器進行有效的限流保護。

逆變器控制結構如圖2所示。通過給定電壓Ur與輸出電壓U0進行比較獲取電壓誤差，經過調節器Gv產生電流環內環給定電流參考值iir，將iir與電容電流內環反饋電流ic進行比較得到電流誤差信號，再經過調節器Gi形成控制量U2，根據控制量產生PWM輸出驅動信號，實現對逆變器的驅動控制。

圖2 逆變器控制結構

電壓外環與電流內環均采用數字比例積分（Proportional Integral，PI）控制器，其z域傳遞函數分別為G：

式中：kpv和kiv為電壓環的比例系數與積分系數；kpi和kii為電流環的比例系數與積分系數。

3 MATLAB仿真

運用MATLAB/Simulink對該控制系統進行建模仿真，仿真參數為直流側輸入電壓400 V，輸出電壓有效值220 V，主電路電感700 μH，電容33 μF，額定負載1.5 kW，開關頻率12.5 kHz。逆變器帶電阻負載仿真波形如圖3（a）所示，帶整流性負載波形如圖3（b）所示。

圖3 逆變器帶載仿真波形

帶電阻負載時，逆變器輸出電壓波形良好。而帶整流性負載時，逆變器輸出電流峰值已經高于帶電阻負載電流峰值，輸出電壓波形僅波峰處出現一點畸變。

4 樣機實驗

為了驗證理論研究的可行性，以TMS320F28069為控制器設計了一臺1.5 kW的樣機，系統參數如表1所示。

表1 樣機參數

樣機空載波形如圖4（a）所示，樣機帶電阻負載波形如圖4（b）所示，樣機帶整流性負載波形如圖4（c）所示。

圖4 樣機帶載仿真波形

樣機空載和帶電阻負載情況下的電壓與電流波形均良好，而帶整流性負載時的穩態電流尖峰值已經大于帶電阻負載電流峰值，電流紋波加大且輸出電壓有一定消頂。使用功率分析儀測試不同情況下的電壓總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD），結果如圖5（a）、（b）、（c）所示，分別為0.67%、0.68%以及1.55%。

圖5 功率分析儀測得數據結果

根據圖5，空載的電壓THD為0.67%，帶電阻負載的電壓THD為0.68%，帶整流性負載的THD為1.55%。帶整流性負載時的電壓總諧波失真較為嚴重，具體應用過程中需要重視該問題。

5 結 論

通過分析基于電容電流內環的單相逆變器控制策略，構建了逆變器控制框架，同時運用MATLAB仿真驗證了算法的可行性，并設計了原理樣機。樣機在帶電阻負載條件下，輸出電壓THD小于1%；在帶整流性負載條件下，輸出電壓THD小于2%。