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單相逆變器系統(tǒng)模型
單相逆變器系統(tǒng)的設計及仿真
解決方案：
本文分析了單相逆變器系統(tǒng)的數(shù)字控制特點，提出了一種帶輸出電流前饋的PI雙環(huán)(輸出電壓外環(huán)和濾波電感內環(huán))數(shù)字化控制方案，利用極點配置方法對控制系統(tǒng)參數(shù)進行了設計，并對系統(tǒng)進行了仿真，最后給出了各種實驗條件下的實驗波形。
0 引言
要得到性能穩(wěn)定的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)，其單臺逆變器的性能非常重要，因此，單臺逆變器的控制方法選擇就顯得尤為重要。常見的單閉環(huán)控制技術主要有電壓瞬時值反饋、無差拍控制和重復控制等方案。為了滿足某些應用場合的高性能指標要求，近來又出現(xiàn)了電壓電流雙閉環(huán)控制。該方案的電流內環(huán)增大了逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，從而使逆變器動態(tài)響應加快，同時加強了對非線性負載擾動的適應能力，也減小了輸出電壓的諧波含量。
依據(jù)內環(huán)電流反饋的不同，逆變器雙閉環(huán)控制可分為電感電流內環(huán)電壓外環(huán)和電容電流內環(huán)電壓外環(huán)兩種。在以濾波電容電流作為內環(huán)反饋的控制方法中，如果在電容電流內環(huán)電壓外環(huán)控制系統(tǒng)中增加電流限幅環(huán)節(jié)，其只能限制電容電流大小，而負載電流和電感電流完全不受其約束，因而不能通過限流實施對逆變電源的保護。在以濾波電感電流作為內環(huán)反饋時，通過限制濾波電感電流即可實現(xiàn)逆變器的過流保護。因此，通過對以上兩種控制方法進行比較，本文采用以濾波電感電流作為內環(huán)反饋的控制方案。
1 逆變器系統(tǒng)模型
圖1所示為單相全橋逆變電源的主電路原理圖。圖中，Ud是逆變橋直流輸入電壓。L是輸出濾波電感，C是輸出濾波電容，r是輸出電感、死區(qū)效應以及濾波電容的等效電阻。
對于圖1所示的單相全橋逆變器，可得到下面的單相逆變電源的連續(xù)域數(shù)學模型式：
2 逆變器控制系統(tǒng)的設計
本文的雙閉環(huán)控制結構由外環(huán)電壓調節(jié)器和內環(huán)電流調節(jié)器組成。其中外環(huán)電壓調節(jié)器Gv(s)一般采用比例一積分(PI)調節(jié)器，內環(huán)電流調節(jié)器Gi(s)可以采用比例(P)調節(jié)器。圖2所示是逆變器電感電流內環(huán)電壓外環(huán)控制系統(tǒng)的結構框圖。
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在這個雙環(huán)控制方案中，電流內環(huán)采用PI調節(jié)器，簡稱雙環(huán)PI-P控制方式。其中電流調節(jié)器Gi(s)的比例環(huán)節(jié)用來增加逆變器的阻尼系數(shù)，以使整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并且保證有很強的魯棒性;電壓外環(huán)也采用PI調節(jié)器的作用是希望使輸出電壓波形能瞬時跟蹤給定值。這種電流內環(huán)電壓外環(huán)的雙環(huán)控制方式的動態(tài)響應速度很快，而且靜態(tài)誤差也很小。
設電壓電流調節(jié)器分別為：
雙環(huán)控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)可以按常規(guī)方法設計，但需考慮兩個調節(jié)器之間的響應速度、頻帶寬度的相互影響與協(xié)調。由于控制器設計步驟比較復雜，因此還需要反復試驗驗證;而采用極點配置方法則可以大大簡化設計過程，同時能滿足高性能指標要求，因此，這種設計方法具有明顯的優(yōu)越性。本文采用的是基于極點配置的逆變器系統(tǒng)控制器的設計方案，這種控制器設計方法簡潔明了，參數(shù)計算容易，而且與性能指標之間有直接的量化關系，可以實現(xiàn)優(yōu)良的動、靜態(tài)特性。此外，為了使系統(tǒng)超調更小，響應更快，首先應該要求預期系統(tǒng)特征方程可以寫成如下的形式：
其次，應該取ξ=0.7，以使得系統(tǒng)具有最小的超調量。之后，再依據(jù)對調節(jié)時間的設計要求，便可以確定ωn的合適取值，一般取ωn略小于諧振頻率的值。這樣，將ξ和ωn代入(6)式后，就可得出系統(tǒng)的預期特征方程，然后比較方程系數(shù)，就可得到系統(tǒng)的參數(shù)值。
3 單臺逆變器的仿真
圖3所示是在PSIM下構建的逆變器仿真模型。該模型主要有三部分：主電路、控制器和PWM脈沖生成模塊。其中控制器用于實現(xiàn)電壓電流雙環(huán)控制，為產生PWM脈沖提供調制信號;PWM脈沖生成模塊采用雙極性調制方式。根據(jù)整個系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程，并綜合考慮系統(tǒng)的控制要求，再通過選取阻尼比和自然角頻率，就可以得到系統(tǒng)控制器的參數(shù)。考慮到單相全橋逆變器系統(tǒng)控制的性能要求，在此基礎上所確定的最終系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：
直流母線電壓：Ud=200 V;
額定輸出電壓：Uo=110V;
額定輸出電壓頻率：f=50 Hz;
額定輸出功率：S=1 kVA;
開關頻率：fc=20 kHz;
濾波電感：L=0.5 mH;
濾波電容：C=10μF;
K2P=3.14，K1P=6.4，Kli=20096，Kv=0.0128，KL=0.1。
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圖4給出了在輸入電壓為200V，額定負載分別為ZL=100Ω時的輸出電壓和輸出電流仿真波形;由圖4可見，輸出電壓頻率均能穩(wěn)定在50H z;圖5所示為負載突減時的仿真波形，其中突變部分是負載ZL=20Ω切換到ZL=40Ω時的輸出電壓、電流仿真波形；圖6為負載突增時的仿真波形，其中突變部分是負載ZL=40Ω切換到ZL=20Ω時的輸出電壓、電流仿真波形;通過以上仿真波形圖可知，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，靜態(tài)誤差小，并具有很強的魯棒型，同時，這種電流內環(huán)電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制的動態(tài)響應速度非常快，因此可見，用該方法對該系統(tǒng)控制電路進行設計是有效而可行的。
4 實驗驗證
筆者設計了一臺1kVA的逆變電焊電源實驗樣機，其系統(tǒng)的核心控制器是TI的DSP芯片TMS320LF2407A。TMS320LF2407A是一款高性能16位數(shù)字信號處理器，是TI公司定點DSP2000系列中的一員，它是專門為控制與運動控制的數(shù)字化實現(xiàn)而設計的。該DSP可完成逆變器輸出電壓頻率的控制、負載電壓和電流取樣、開關管的導通關斷時間控制等。其軟件實現(xiàn)流程圖如圖7所示。
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圖8所示是數(shù)字控制逆變器的交流電流測試波形，由圖8可以看出，本系統(tǒng)的交流輸出電流十分穩(wěn)定，完全能夠滿足設計要求。
5 結束語
采用電感電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制逆變器系統(tǒng)，可利用電流內環(huán)快速、及時的抗擾性來有效地抑制負載擾動的影響，在負載突變和非線性負載下，均具有較高的穩(wěn)態(tài)精度和較快的動態(tài)響應。實驗和仿真結果表明，這是一種性能優(yōu)異的控制方法。
