（电力电子与电力传动专业论文）基于重复控制原理的cvcfpwm逆变器波形控制技术研究.pdf

华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t u n i n t e m j p t b l ep o w e rs u p p l y ( u p s ) s y s t c m s a r ew i d e l yu s e df o rs u p p l y i n gc r i t i c a l l o a d sw h i c hc 锄 n o ta 肋r d “l 时p o w e r 蹦l u ac v c f p w mi n v e n e ri st 1 1 ec o mo fau p ss y s t e m h 砷q u a l 时 o u t p u tv o i t a g ew a v e f o mi sm q u i r e df o rt h e s ei n v e r t e r s t ba c h i e v en e 耵l ys i n u s o i d a lo u t p u tv o i 协g e e v e nw nn o n l i n c 盯l o a d s ，m 舭y 、啪e f o n t ic o m c t i o nt e c h n i q u e sh a v eb e p r o p o s e d t h i sp a p e ri s f o c u s e do nr e p e t i t i v ec 彻们l t h e o r yb 髂e dw a v e f b 咖c o r r e c t i o nt c c h n i q u e s0 fc v c f p w m i n v e n e 船 t h ef o l l o w i n g sa r et h em a i n 、帕r k ： w i t ht h el o a dc u n 亡mt r e a t e d 硒am e 船啪b l ed j s t u r b a n c ei n p u t ，ai i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e ii s e s t a b l i s h e df o rap w mi n v e r i e lw h e nd e r i “n gt h ed i s c 陀t em o d e l ，m ec o n c e p to fi m p u l s es t r e n g t h e q u i v a l e n c ea i l dt h em e t i l o do fs t a t e - s p a c ea v e r a g i n ga r eu t i l i 黯d t o p r o c e s sd i s c o n t i n u o u s i n v e n e r b r i d g eo u t p u tv o l t a g e ，t 0p r e c i s e l yd e t e m i n et i i ed 锄p i n gr a t i o o fan o i o a dp w mi n v e r c e l 柚 e x p e r i m e n t a la p p m a c hb 硒e do nm e a s u r i n gt h em a g n i t l l d e - f k q u e n c yc h a m c t e r i s t i co f t h ei n v e r t e ri s p r o p o s e d as i m u l a t i o n m o d e lt a l ( i n gi n t o c o u n tp w mp r o c e s s 柚dd e a d - t i m ee a b c ti s a l s o e s t a b l i s h e dw 浊m a n a b ，s i m i 。i n ks o 胁a 托 an o v e lr e p e t i t i v e d i s t l l i b 锄c e - p r e d i c t i o nb 鹳e dd e a d b e a tc 伽打o is c h e m ef o rp w mi n v e r t e r i s p r o p o s e df 研t h e 矗r s tt i m e i nt h i ss c h e m e ，t r a d i t i o n a ld i 蚰l r b 抓c eo b s e r v e r “g o m h m i sr e p l a c e dw i t ha r e i ) e t i t i v ep r c d i c t i o na l g o r i t h m 1 1 1 el a n e rc 锄踮h i e v eb e n e rp r e d i c t i o no fm e l o a dc u n 蜘tw 曲s 帅e s a m p l i n gf r e q u e n cy ，t h u si m p f o v e st i l eo v e r a l ip e r f b m l a r i c eo ft h es y s t e m t h i ss t u d ys h o w st h a tm e r e p e t i t i v ec o n n d lt e c i i i i i q c 柚b ea p p l i e di nd i 舵吲1 tw a y s o t h e rt l l 锄i nd j m c tv o l t a g ec o n t r 0 1 ac o m p r e h e n s i v em e o r e t i c 柚a i y z ei sc a m e do u to nr e p e t i t i v ec o n 仃o ls y s t e m s y s t e ms t a b i l i 吼 e r r o rc o n v e r g e n c ea n ds t e a d y - s t a t ee r r o ra r ed i s c u s s e d ag e o g r 印h i ce x p l a n a t i o ni sp r e s e n t e df o rb e n e r u n d e r s 诅n d i n go ft t i e 灿m t yc o n d i t i o n an e wc o n c e p t _ _ h a m o n i cr e ；e c t i o ni n d e x ”i sd e f i n e d 如d u s e d 船a ni m p o n 锄ti n d e xo fc o n 订0 1 l e rp e “o m l 卸c ef o rt h en r s tt i m e t h ed m w b a c k so f t l l em o d e l c a n c e l l a t i o nb 髂e dc o n n d l l c rd e s i g nm e t h o di sp o i n t e do u t ，t h e nan c wm e t h o db a s e do nl o w - 锄d - m e d u mf b q u e n c yc a n c e l i a t i o na n dh i g hf b q u e n c ya n e n u a t i o ni sp m p o s e d ac o s t e 恐c t j v er e p e t i t i v ec o n 的ls c h e m ef o r 仃a d i t i o n a ls p w mi n v e n e r si sp r o p o s e dt og r e a t l y ”d u c et h ev o l t a 鐾ed i s 州o nw i t hn o n l i m 甜l o a d s t h ec o 心o is y s t e mi sv e r ys i m p l eb e c 种s en o i n s t a i l t a l l e o u sf b e d b a c ki n n e r1 0 0 pi sa p p l i e d 鹤t i i ei n t e r f h c eb e t w e e nm em p e t i t i v ec o n 仃o n e ra n dt h e s p w m i n v e r t e la n do n l yt 1 1 eo u t p u tv o l t a g en e e d s t ob es 锄p l e d t oc o p ew i mt 1 1 eh i g hr e s o n 锄tp e a l 【 o f t h es p w m i n v e r c e l t i a t m a y c a u s e i n s t a b i l i t y o f t t i es y s t e m ，a n o v e i m p c t i t i v ec o r 山0 i l c r i sp r o p o s e d 。 w h i c hi n c o r p o r a t e saz c r o - p h 笛e - s h i f in o t c hf i l t e lt h ei o 、p 鹅s - f n t e rq 倒a l g o r i t t i mi sa l s oa p p l i e df o r t h en r s tt i m ei nw a v e f b n nc o r r e c t i o no f 柏i n v e r t e rt of u n h e rr e d u c et h es t e a d y s t a t ee r m ro ft h e f u n d 锄e n t a lv o l t a g e ah y b r i dc o n t r o l 蛐m c t i i mi n c o r p o r a t i n z p e t i t i v ec o 咖la n dg t a t ef 醣d b kp o l e - a s s i 蝉m e n t c o m r o l i sp m p o s e d s t a 把砌b a c kc o n t r o l 船t i i ei 曲e rl o o pc 卸g f e a t l yi m p r o v et h ed ”a m i c so ft 1 1 e p w mi n v e n e rt i l i 寸u 窑l lc i o l o o pp o l e - s i 鲫m c n 如dt l l i si nt i i mm a k 豁m e d e s i 掣1o f t 1 1 er e p e 6 6 v e c o n t r o i i e rm u c he a s i e nc o m b i n a t i o no fm e s et w oc o m p l e m e n t a r ys n e g i e sg i v e se x c e l l e n td y n a m i c r e s p o n s e 鲇w e l l 踮h i 曲q u a l i t yv o l t a g e 、v a v e f o r n l ，粕di ss u i t a _ b l ef o r h i 曲e rs t a f l d a r dp r o d u c t s k i e y w o r d s ： i n v e n e r p u l s ew i d t hm o d u i 砒i 佣 w “e f o mc o h _ e c t i o n m p e t i t i v ec o n n 训 d e a d b e a tc o n t m ls 扭t ef e c d b a c kc o n t r o i p o l e 鹳s i g l m e n t l l 华中理工大学博士学位论文 第一章绪论 本文的研究主题是基于重复控制理论的c v c f ( 恒压恒频) 一p w m 逆变器波形 ) 控制技术。本章首先介绍了( 电压型) p w m 逆变器的基本原理、电路结构和应用 范围。然后，针对本研究所涉及的用于交流稳定电源的c v c f p w m 逆变器，指出 j 了波形控制技术研究的重要性，并对其研究现状做了简单的综述。在对比了多种波 f 形控制方案的基础上，指出了重复控制相对于其他控制方案的优点。最后介绍了本 、文的研究内容。k 本文研究课题受国家自然科学基金资助，项目批准号5 9 7 0 7 0 0 7 。) 1 t ，7 i 、 、 1 1p w m 逆变器概述 1 1 1 工作原理 逆变器是用来实现d c a c 变换的电力电子装置。跟所有其它类型的电力电子 装置一样，逆变器利用一组电子开关来实现电能形式的转换。图1 1 是其工作原理 的一个抽象描述。 图1 1 用电子开关实现d c a c 变换 负载 由图1 - l 可见，当开关s l 、s 4 导通，s 2 、s 3 关断时。输出端可获得正极性的 瞬时电压；而当s 2 、s 3 导通，s l 、s 4 关断时，输出端即获得负极性的瞬时电压。 以一定的频率切换两组开关的导通状态，即可实现由直流电压到交流电压的变换。 无论是何种具体形式的逆变器，甚或是其它类型的电力电子变换器，其实现电能变 p w m 逆变器可分为电压型和电流型两种。本文的研究是关于前者。为表述简洁起见，下文中 对此不再做特别说明。 华中理工大学博士学位论文 换的基本手段都是通过这种对电子开关的快速通断控制来改变电压( 或电流) 的极 性( 瞬时的或平均的) 和幅值( 平均的) 。 简单地按照图l - 1 的方法控制，只能获得方波型交流电压输出，其谐波含量很 大，幅值也无法调节。p w m ( p u l s ew i d t l lm o d u l a t i o n 一脉宽调制) 技术可以解决这 个问题。 图1 2 正弦p w m 调制原理 p w m 技术【1 3 h 23 l 的理论依据是惯性对象脉冲响应的“冲量等效”现象【2 】。简言之， 形状不同但冲量( 幅值对时间的积分，即波形的“面积”) 相等的窄脉冲激励信号 施加于具有惯性的对象如低通滤波器时，它们所获得的响应基本相同。因此，可将 期望输出的正弦电压波形假想成由一组等宽不等幅的片段组合而成，然后用一组冲 量对应相等的等幅不等宽( 即脉冲宽度调制p w m ) 脉冲将它们依次替代。后者 可以由电子开关的通断控制实现。频谱分析表明：p w m 脉冲电压具有与理想正弦 电压相一致的基波分量，而其最低次谐波的频率可以提高到p w m 调制频率( 即开 关频率，对应于每基波周期的脉冲个数) 附近。因此，开关频率足够高时，利用较 小的滤波器就将其中的谐波滤除。此外，只要同比地改变p w m 脉冲宽度，还可以 平滑地调节输出电压的基波幅值。 采用了p w m 技术的逆变器即为p w m 逆变器。后者在波形质量和控制性能上 相对方波型逆变器有了巨大的进步。 2 华中理工大学博士学位论文 1 1 2 电路结构 图1 1 中的电子开关，通常以 一个全控型器件( 这里以i g b t 器 件为例) 和一个反并联的二极管构 成( 参见图1 3 a ) ，两个这样的开 关上下串联，就组成一个“桥臂”( 图 l - 3 b ) 。对电子开关实施互补通断控 制，可以唯一确定桥臂输出端电位。 它是p w m 逆变电路的基本组成单 元。分别采用一个、两个或三个桥 ( a ) 图l - 3 ( a ) 电子开关和( b ) 逆变器一个桥臂的构成 臂，再加上l c 滤波器，就可以构成单相半桥、单相全桥和三相半桥p w m 逆变器， 如图1 4 所示。这些是实用中最常见的逆变电路。 以上逆变器电路结构与b u c k 型d c d c 变换电路有共通之处，实际上图1 3 b 的 图l - 4 ( a ) 单相半桥、 单相全桥及( c ) 三相半桥逆变器电路结构 桥臂结构就可视为由两个单象限& l c k 电路组合而成。因此这种逆变器称为b u c k 型 逆变器。b u c k 型逆变器应用最为广泛，但它不能实现输出电压( 峰值) 高于输入电 3 华中理工大学博士学位论文 压。如果有这种要求，可以采用b 0 0 s t 型逆变器【j 。【9 】，图1 5 是单相b o o s t 逆变器的 一个示例，从中不难看出它与b o o s t 型d c - d c 变换电路的渊源。 图1 5 单相b o o s t 逆变器电路结构 在高压大功率场合，因功率器件的开关频率非常有限，难以实现高质量的输出 。 波形。另外，高的直流母线电压与开关器件有限的电压定额也形成了矛盾。针对这 一情况，发明了三电平中点钳位式逆变器【1 0 h ”1 ( 图1 6 ) ，它的瞬时输出电压可以有 三种幅值，比常规的两电平逆变器多出一种。结合合适的控制，可以在同样的开关 频率下产生更接近正弦的输出波形。与此同时，器件承受的电压则比常规逆变器减 半。这种三电平逆变器正在高压大功率领域迅速推广。 图1 6 三电平中点钳位式三相逆变器电路结构 4 华中理工大学博士学位论文 1 1 3 应用范围 在各种电力电子装置中，p w m 逆变器的应用范围是最广的。概括地讲，凡是 、需要直接d c - a c 变换或间接a c - a c 变换的场合都需要p w m 逆交器。为了叙述简 明，不妨将p w m 逆变器的应用范围大致划分为电力系统、运动控制、通用交流稳 定电源三大类。 目前，p w m 逆变器在电力系统中的应用最显著地体现在灵活交流输电系统 ( f a c t s ) 所需的各种电力系统控制器上【5 l 【6 l 。如静止同步补偿器( s t a t c o m ) 和 综合潮流控制器( u p f c ) 的核心就是一台或多台高压大功率的电压型p w m 逆变 器。用于平抑电力负荷峰谷差异的超导磁铁储能系统( s m e s ) 也需要大功率p w m ， 逆变器作为与电网的中介。高压直流输电( h v d c ) 系统是f a c t s 的重要组成部分， 而采用p w m 逆变器作为h v d c 的换流器可以克服传统晶闸管换流器的许多弊端。 p w m 逆变器在运动控制方面的应用主要体现在作为交直交变频器的核心部件 与各型交流电机构成全功率等级的高性能调速传动系统，如各类同步电机、异步电 机、开关磁阻电机传动系统等。高性能交流伺服系统也是以p w m 逆变器交流 电机调速系统为基础的。这些采用p w m 逆变器的运动控制系统广泛运用在工业生 产、交通、国防、科学研究等各个领域。 市电 图1 7 一个典型u p s 系统结构框图 以u p s ( 不停电电源) 为代表的通用交流稳定电源是p w m 逆变器另一个量大 面广的应用领域。凡是要求高质量、不间断供电的重要用电部门都需要配备u p s ， 如通信系统、金融部门、医疗中心、空中交通管制系统、武器控制，以及所有应用 计算机等信息处理设备的企事业单位和家庭。随着整个社会的进一步信息化，供电 5 华中理工大学博士学位论文 中断带来的损失变得越来越难以承受，因此对u p s 电源的需求还将进一步扩大。图 1 7 是一种典型的u p s 系统结构，其中的逆变器多工作于c v c f - p w m 方式，它是 整个系统的核心，对u p s 的供电性能有决定性影响。 1 2c v c f p w m 逆变器的波形控制技术 本文研究的主题是c v c f p w m 逆变器的波形控制技术。该技术主要针对上文 提到的u p s 应用场合。以下对波形控制技术的产生背景和发展情况做一介绍。 1 2 1 波形控制何以重要 对于象u p s 这样的c v c f 交流电源，在性能上除了需满足可靠性、体积、重量、 效率、e m c ( 电磁兼容性) 等基本指标之外，在供电质量方面首要的要求就是高质 量的输出电压波形。而这一点完全由其中的c v c f - p w m 逆变器决定。 对于由理想开关构成、并且只带线性负载的p w m 逆变器，只要实施某种s p w m 技术，不难获得理想的正弦波输出电压。可惜，实际运行非线性负载和p w m 调制 过程中的死区等因素的影响，使得基于开环的s p w m 技术无法确保输出电压波形 满足要求。 zs z sl l n 、 i ：j ，7 占f 一【 一 一 _-_ zzs 保。 u 7 图1 8 ( a ) 典型非线性负载 逆变器带非线性负载时输出电压、电流波形示意 非线性负载是影响p w m 逆变器输出电压波形质量的主要因素。非线性负载大 多含有非线性元件，其伏安特性呈现非线性。对于这种负载，即使供电电压为标准 正弦波，负载电流也是严重畸变的，其中包含丰富的低次谐波。由于逆变器的输出 阻抗不为零，所以这些低次谐波电流必然在逆变器输出端产生谐波压降，导致输出 6 、 华中理工大学博士学位论文 电压畸变。不幸的是，如今u p s 的负载大多是非线性的，其中最常见的就是图1 8 a 所示的二极管整流大电容滤波型负载，因为这是计算机等绝大多数信息处理设 备和精密电子仪器的电源输入端结构。 图1 8 b 是单相s p w m 逆变器带二极管整流大电容滤波型非线性负载时的 输出电压和输出电流波形。由于二极管的单向导电性，只有当逆变器输出电压瞬时 值高于负载电容电压时才有输出电流，而二极管一旦导通，负载又呈现很低的线路 阻抗。随着二极管的周期性通断，燕个电路的拓扑结构周期性地变化，激发一系列 的重复性瞬态过程，而逆变器输出电流则畸变为一系列的尖顶窄脉冲。典型情况下， 输出电流即负载电流的波峰因子( c r e s tf a c t o r ，峰值与有效值之比) 可达3 o 以上， 而负载电流t h d 则往往超过1 0 0 。此时逆变器输出电压将出现明显的消峰平顶， t h d 大多超过5 ，严重时甚至达到1 0 以上，无法满足供电质量要求( 一般要求 带c r c s tf a c t o f 3 的额定负载时输出电压总谐波失真n i d 不得高于5 ) 。 h一i 鸟与 负 1 时 上 姗鼬 t上上 itt 载 图1 9 通过增设l c 并联支路降低逆变器输出阻抗 人们曾经企图通过降低逆变器输出阻抗来解决这一问题。一种做法是在逆变器 输出端增设l c 谐振支路( 图1 9 ) ，通过合理设置其谐振频率，可以做到对某一低 次谐波的输出阻抗近似为零，从而将该次谐波电流吸收掉脚。除此之外，通过提 高开关频率来减小滤波电感也是一个办法。不过，这些基于滤波器的解决方案也有 很明显的缺点：前一方法对每一次谐波电流都要增设一个l c 支路，这对于容量并 非特别巨大的通用电源产品来讲，无论是体积、重量、成本都难以接受。后一方法 则与此正相反：对于小功率产品开关频率的确可以做得很高，但在大、中功率场合， 受温升、效率等因素限制，开关器件工作频率不可能很高，此时减小滤波电感的做 法就遇到了无法逾越的障碍。 7 华中理工大学博士学位论文 与以上方法相比，从控制的角度出发，通过引入输出电压的瞬时值反馈控制来 抗御非线性负载扰动、抑制谐波是更合理的解决方案。在本文中，所有以改善波形 为目的的输出电压瞬时值闭环控制技术均称为波形控制技术。波形控制技术的引入 使p w m 逆变器系统的闭环输出阻抗相对开环时大为降低，是一种通过控制手段降 低输出阻抗的办法【2 4 l ，这要比增设无源滤波元件或单纯依赖高开关频率优越得多。 除了非线性负载之外，实际p w m 过程中为防止逆变器桥臂上下端元件直通短 路而设置的死区也对波形质量有一定影响。死区的存在，使得理想p w m 输出电压 中叠加了一组高频脉冲。其幅值、重复频率与p w m 脉冲相同，宽度等于死区时间， 包络线为方波。后者的极性与逆变桥输出电流相反，其频率则为基波频率。显然， 这一波形中含有开关频率以下的低次谐波，直接增加了输出电压的波形畸变。死区 时间在一个开关周期中所占份量越大，对波形质量影响就越大。 为了克服死区的影响，可以采取各种补偿措施口6 h 3 ”。不过，这些死区补偿措施 对非线性负载的影响是无效的，不能代替波形控制技术。相反，后者作为一种闭环 控制手段，可以抗御的扰动类型是多种多样的，它不仅能克服非线性负载影响，同 样也可以克服死区效应的影响。因此，采取了波形控制技术以后死区问题可以一并 解决，一般无须再设置死区补偿措施。 1 2 2 波形控制技术发展概况 ， 一硬件技术 控制系统的数字化和控制芯片的高速化、多功能化，是各种复杂、先进的波形 控制方案得以实现的硬件基础。目前，包括p w m 逆变器在内的各类电力电子装置， 其控制电路都已经或正在实现模拟控制到数字控制的过渡，这是硬件技术上的一次 深刻变革。数字控制相对于模拟控制有一系列无法比拟的优越性，比如： 耗用元件数减少，电路简化而且通用化、标准化，使控制系统成本降低、 可靠性提高、故障检修更容易。 大大缓和了困扰模拟电路的元件老化和参数漂移等问题，系统长期工作的 稳定性有了保障。 可以实现复杂得多的控制算法，大大提高系统的性能。 借助数字通信端口，可实现电力电子装置的无人值守和计算机集中监控。 8 华中理工大学博士学位论文 采用数字控制时，微处理器的性能在很大程度上决定整个系统的性能。p w m 逆变器的波形实时控制对计算速度要求很高，一般用途的微处理器往往不能满足输 出电压瞬时控制的要求，h l t e l 公司的9 6 系列通用单片机就是一个例子。 数字信号处理器( d s p ) 的出现为解决该问题提供了希望。d s p 原本主要用于 图象、语音等高速数字信号处理，因其速度快而非常适合电力电子装置交流波形控 制。目前，美国德卅i 仪器( 1 e x 舔h l s 仃l 姐e m s ) 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 已成为p w m 逆变器数字式波形控制的主流芯片。以本文采用的t m s 3 2 0 f 2 4 0 为例，其主要性能 如下p 卅： 1 6 位定点运算，绝大部分指令( 包括乘法指令) 仅需5 0 n s 。 片内集成1 6 k 字f l a s h r o m 和5 4 4 字r a m 。 并行的两路l o 位高速a d 转换器，各带多路切换的8 个模拟通道输入通道。 转换时间3 3 邺。 专门用于产生p w m 信号和记录外部输入脉冲发生时刻( 可用于构成锁相 环) 的事件管理器( e v e n tm a m g e r ) ，脉冲定时分辨率达5 0 n s 。 异步、同步串行通信接口，大量的多功能复用数字功0 接口等。 d s p 的功能是很强大的，但有些高性能的控制方案对采样频率和运算速度的要 求极高，单用一片d s p 时可能出现“任务拥塞”现象。采用多个d s p 并行工作可 以解决这一问题，但其代价过于高昂。此时可以采用一些基于高速硬件逻辑( 相对 于微处理器的串行软件逻辑而言) 的专用集成电路( a s i c ) 瞰 7 1 作为d s p 的协处 理器( c o 口m c e s s o r ) 。前者完成高速运算工作，而后者则专注于更高一级的任务， 如系统上电过程、用户操作界面、自诊断、自校准、参数辩识等。为缩短产品的研 发周期，这种用作协处理器的a s i c 常常由f p g a ( f i e l d - p m 鲥衄m a b l eg a t e 灯a y 现场可编程门阵列) 经编程设计而得到。 二控制方案综述 自八十年代以来，波形控制技术一直是p w m 逆变器领域的研究热点，多年的 。研究产生了种类繁多的控制方案。以下对此做一简要介绍。 ( 单闭环) p l 控制”h 4 1 1 比例积分( p i ) 控制概念明晰，实施容易，鲁棒性强，是工程实际中应用最广 的一类控制器。它同样也可以用于波形控制。由于空载的p w m 逆变器近似于一个 9 华中理工大学博士学位论文 临界振荡环节，积分( 1 ) 控制又增加了相位滞后，这样一来，为保证系统稳定，对 控制器比例( p ) 必须有所限制。因此，p i 控制的快速性虽相对均值反馈有较大改 善，但仍是有限的，系统对非线性负载扰动的抑制效果也不佳。 p i 控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪，因此系统的稳态精度不容易满足要 求。实际系统往往在p i 控制基础上增设均值反馈以保证稳态精度【3 l l | f 3 ”。对于三相 逆变器，通过坐标变换可以把对象放到同步旋转d q 坐标系里进行p i 控制，由于在 d q 系统里被调量是直流量，所以可以实现对a b c 系统正弦指令的无静差j 。以上 做法不能直接用于单相逆变器，但文献【1 14 】提出一种针对单相系统的同步旋转坐标 变换概念，使得单相逆变器也可能实现类似的无静差控制效果。 双船环控制1 4 q 叶”1 单闭环控制在抵抗负载扰动方面的缺点与直流电机的转速单闭环控制很类似， 具体表现为：只有当负载( 电流，转矩) 扰动的影响最终在系统输出端( 电压，转速) 表现出来以后，控制器才开始有所反应。基于这一认识，可以仿效直流电机的转速 电流双闭环控制，在p w m 逆变器的电压单环基础上增设电流内环，利用电流内环 快速、及时的抗扰性来有效地抑制负载扰动影响。同时，得益于内环对原有控制对 象的改造作用，电压外环的设计可以大大简化，有时甚至只需比例( p ) 控制即可【5 ”。 双闭环控制同时具备优异的动、静态特性，是一种高性能的波形控制方案。其 主要不足是：电流内环为抗御非线性负载扰动，必须具备足够的带宽，这就对数字 控制器的控制速度提出了很高的要求，实际系统中d s p 的处理速度往往被用到极 限。针对这一问题，文献 4 5 】专门探讨了“d s p + f p g a ”结构的硬件实现形式。不 过，随着控制芯片性能的提高和价格的下降，双闭环控制在实际产品中的大量应用 是有可能的。 多变量状态反馈控制h o 】【”h “1 从状态空间角度看，单闭环控制系统性能不佳的原因可以解释为单纯的输出反 馈未能充分利用系统的状态信息。因此，将输出反馈改为状态反馈应该可以改善控 制效果。状态反馈波形控制系统也需要两个反馈变量，但并不构成内、外两个分立 的闭环控制回路，而是在状态空间概念上通过合理选择反馈增益阵来改变对象的动 力学特性，以实现不同的控制效果。比如对正弦指令和基波正弦扰动无静差忡】、最 小方差阶越响应p ”，使逆变器输出阻抗最小口4 】等。 1 0 华中理工大学博士学位论文 状态反馈控制的最大优点是可以大大改善系统的动态品质，因为它可以任意配 置闭环系统的极点。不过，由于建立逆变器状态模型时很难将负载的动态特性考虑 在内，所以状态反馈控制只能针对空载或假定阻性负载进行。对此如不采取有针对 性的措施( 增设负载电流前馈补偿、预先进行鲁棒性分析等) ，则负载的变化将导 致稳态偏差的出现和动态特性的改变。比如文献【5 5 】中的最小方差控制在非线性负 载情况下波形畸变严重，而文献【4 0 】中的内模控制在非线性负载时很难稳定。 无差拍控制m 】【”卜 无差拍( d e a d b e a t ) 是数字控制特有的一种控制效果，它是在控制对象离散数学 模型的基础上，通过施加精确计算的控制量来使得被调量的偏差在一个采样周期时 间内得到纠正。早期的无差拍波形控制1 删是基于阻性负载假设，负载适应性较差。 采用扰动观测器【4 0 “l 可以实时预测负载电流，显著增强了负载适应性，是无差拍 控制的一大改进。针对计算延时影响直流电压利用率的问题，可以通过双极性p w m 调制方式加以一定程度的改善1 6 1 1 ，或者在算法上采取特殊的补偿措施哗1 ，但最切实 有效的办法还是采用状态观测器【6 2 1 将控制作用提前一拍进行。 无差拍最显著的优势是其非同寻常的快速性，其最大的缺点则是对精确数学模 型的依赖，因为后者并不容易得到。另外，控制器为了达成在一个采样周期内消除 误差的效果，往往采取非常剧烈的控制动作，当理想模型与实际对象有差异时，这 样做不仅达不到无差拍效果，反而会引起输出电压的振荡，不利于逆变器的安全稳 定运行。对此，借鉴达林( d a l l l i n ) 算法【1 2 l 】的思想，以较为平缓的一阶惯性响应代 替无差拍响应f 6 5 l 或许是一种解决方法。当然这样做在快速性上会有妥协。 滑模变结构控制m 啦】 滑摸变结构控制是一种非线性控制方法。它是利用某种不连续的开关控制策略 来强迫系统的状态变量沿着相平面中某一预先设计好的“滑动模态”轨迹运动。从 原理上讲，滑模变结构控制的稳定性以及系统性能对参数变化和外部扰动不敏感， 具有较强的鲁棒性，这是它的主要优点。 对于实际的逆变电源系统，确定一个理想的滑模切换面是很困难的。另外，滑 模变结构控制必须以数字形式实现才能有更大的实用价值，而数字式滑模变结构控 制只有当采样频率足够高时才能实现较好的性能。这些缺点限制了它的应用。 重复控制9 5 卜刚 华中理工大学博士学位论文 p w m 逆变器波形控制是一个伺服系统设计问题。该系统需跟踪的指令信号为 基波正弦，需抗御的扰动则既有基波又有谐波( 后者主要来自非线性负载、死区效 应等) 。由内模原理可知，除非针对每一种指令或扰动信号均设置一个正弦函数内 模，否则无法实现无静差。重复控制利用“重复信号发生器”内模巧妙地解决了这 一问题。在重复信号发生器作用下，控制器实际上进行着一种逐周期的积分控制， 通过对波形误差的逐周期补偿，稳态时可以实现无静差控制效果。重复控制最早是 用于机械运动控制领域【7 7 】，【8 2 1 洲- 【8 “，研究证明它用于波形控制也可以获得很好的效 果。 基于重复控制的波形控制技术是本文的研究重点。关于重复控制的优缺点在 l _ 3 中还要进行进一步的讨论。 模糊控制、神经网络控制”卜【”l 这两种控制方式都属于智能控制的范畴。与传统控制方式相比，智能控制最大 的好处是不依赖控制对象的数学模型。模糊控制和神经网络控制都是模仿人的智 能，但前者是从人的思维外特性入手，主要模仿人的模糊信息处理能力；而后者则 是从人脑的微观物理结构入手，模仿其处理信息的分布性、并行性、冗余性、非线 性、容错性以及自组织、自学习、自适应能力。 模糊控制用于波形控制的研究起步相对较早。文献【1 0 5 】、【1 0 7 】将模糊控制与无 差拍结合使用，由前者补偿无差拍控制在非线性负载时的剩余误差，降低了非线性 负载时的波形失真。文献【1 0 4 】则提出了一种纯粹由模糊控制规则构成的波形控制方 案，其中模糊控制器根据输出电压误差和电感电流两个量决定p w m 脉宽，控制规 则来自设计者在仿真与实验中对逆变器动态行为的观察和总结。总的来看，模糊控 制可以实现比常规控制方法更好的动态特性，但控制的精确性仍有待提高。 关于神经网络在波形控制中的应用，在网络结构选择、训练方法等方面已经有 了些理论研究成果i 1 0 8 】叫。受制于神经网络的实现技术( 目前仍主要依赖串行处 理器模拟实现) ，尚未见到具有在线学习能力、结构较为复杂完善的人工神经网络 成功用于实际逆变器波形控制的实例。 1 3 选题依据 在以上介绍的各种波形控制方案中，实际控制效果比较好的，主要有无差拍、 1 2 华中理工大学博士学位论文 双闭环、重复控制三种。在这三者当中，本文选择重复控制为主要研究对象。概括 地讲，重复控制与其他控制方式相比具有以下一些主要优点： 一充分利用了关于扰动的唯一已知特性重复性，由此减轻了控制的难度。 二只需检测输出电压一个量，无须检测实际扰动。 三算法简单，对控制速度要求不高，却可以实现控制动作的超前性。 四具有非常好的稳态性能波形质量、幅值稳定度。 总之，重复控制实施容易、成本低、效果好，是一种优秀的控制方案。其基本 控制思想还可以推广到其它需要跟踪重复性指令和抑制重复性扰动的控制场合。 不过，重复控制也不是十全十美的，其主要缺点是无法实现短于一个周波 ( s u b c v c l e ) 的动态响应。但这一点对于绝大多数应用场合而言是可以接受的。而 且在要求较高的场合通过增设高动态的瞬时控制内环可以较好地解决这一问题。重 复控制另一个缺点是存储单元消耗大，因为控制器需要记忆一个基波周期的误差信 息。随着v l s i 技术的迅猛发展，d s p 的片内内存容量越来越大，这一问题也已经 不再构成障碍。 1 4 本文研究内容 关于重复控制在波形控制中的应用，国际上已经有了一定的研究，但无论在理 论上还是在实际控制效果上都还有进一步完善的空间，特别是国内在此方面的研究 尚处在起步阶段。本文以基于重复控制理论的波形控制技术作为研究课题，主要研 究工作体现在以下几个方面： 一建立了单相p w m 逆变器的数学模型和仿真模型( 第二章) 。针对空载p w m 逆变器阻尼程度不易确定的问题，提出了一种基于逆变器实测幅频特性的解决方 法，该方法在第五章的研究中得到了成功的应用。利用坐标变换表明平衡三相p w m 逆变器可以等效地转化为两个解耦的单相p w m 逆变器，因此基于单相的分析结论 可以推广到三相场合。 二扰动观测器型无差拍控制是一种高性能的波形控制方案。该方案的控制 效果受扰动( 即负载电流) 观测效果的影响较大，而后者则依赖高的采样频率。针 对这一问题，在本文中首次提出了负载扰动重复预测型无差拍控制方案( 第三章) 。 该系统以重复预测算法代替了传统的扰动观测算法。前者可以在同样的采样频率下 1 3 华中理工大学博士学位论文 实现比传统的负载扰动观测器更为精确的负载电流预测效果，从而可以改善无差拍 控制系统的扰动抑制效果，提高波形质量。该项研究表明重复控制技术除直接用于 电压控制器外还可以有其它多种实现形式。 三对重复控制系统进行了深入的理论分析( 第四章) 。阐述了重复控制的基本 思想和理论基础，讨论了系统的稳定性、误差收敛速度、稳态误差，利用几何作图 直观地解释了稳定条件的含义，首次提出了“谐波抑制因子”的概念。讨论了重复 控制器的设计问题，指出了对消型控制器设计方法的缺点，提出了一种基于中低频 对消、高频衰减的控制器设计思想。 四传统的s p w m 逆变器技术成熟、运行可靠，但带非线性负载时波形失真较 大，难以满足波形质量要求。本文从实际应用角度出发，针对传统s p w m 逆变器 提出了一种性能好、成本低的重复控制改进方案( 第五章) 。该方案只检测输出电 压一个量，不借助任何其它方式的瞬时控制作内环改造，重复控制器直接面对动态 特性恶劣的s p w m 逆变器，故称“直接重复控制”。在此研究中提出了一种特殊结 构的重复控制器，保证了直接重复控制系统的稳定性、稳态幅值精度和较强的谐波 抑制能力。 五高性能的逆变电源除对波形质量有较高要求外，还要求有尽量快的响应速 度。此时单用重复控制无法满足快速性要求。对此，本文提出了一种带瞬时控制内 环的重复控制方案( 第六章) 。内环的控制采用状态反馈极点配置，它可以有效地 改善p w m 逆变器的动态特性，并使重复控制外环的设计更容易。两种控制方式扬 长避短、相互配合，使整个系统同时具备了优良的动态特性和高质量的稳态波形。 1 4 华中理工大学博士学位论文 第二章p w m 逆变模型分析 控制对象的数学模型是开展严密的理论分析和实验研究工作的出发点和基础。 本章首先针对单相p w m 逆变器，建立了它的连续时间、离散时间状态空间模型； 然后推荐了一种基于逆变器实测频率特性的模型参数确定方法。 有了比较贴近实际的数学模型，就可以进行较为逼真的仿真。本章在 m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下建立了单相逆变器的系统仿真模型，包括考虑了 p w m 过程和死区影响的精确模型，以及基于状态空间平均思想的低频近似模型。 在大功率场合，三相p w m 逆变器是较为常见的。本章通过推导表明：平衡的 三相p w m 逆变器经a b c q8 坐标变换后可以转化成两个相互独立的单相逆变器。 这就使得基于单相逆变器的分析所得的结论同样可以用于指导三相逆变器的控制。 2 1 单相p w m 逆变器数学模型 逆变器建模时，如何处理负载的动态特性是一个关键性问题。如果假定逆变器 接阻性负载婵 ，模型比较简单，但不能反映实际情况。如果对负载电流做更为复杂 的假设，如一阶导数不变等，效果会好一些，但又会使模型形式变得复杂【6 2 】。本文 采取的方法是将负载处理为外部扰动输入量，这样可以建立一个形式简单而且又是 严格成立的线性模型。在进行仿真研究以及设计观测器时，采用这种模型形式是比 较方便的。 2 1 1 电路模型 一台单相、两电平、硬开关、带l c 滤波器的p w m 逆变器，无论是采用半桥 还是全桥结构、单极性还是双极性控制，都可以用图2 1 所示的统一电路模型来表 示。 以上电路模型中，电压源u 代表来自逆变桥的输出电压，它是一单极性或双极 性的p w m 脉冲序列。电流源，代表负载汲取的电流，其波形可以为任意，视具体 1 5 华中理工大学博士学位论文 图2 - l单相逆变器统一电路模型 负载而定。与滤波电感l 串联的电阻r 是滤波电感的等效串联电阻以及逆变器中其 它各种阻尼因素的综合。滤波电容的等效串联电阻影响较小，通常予以忽略。 以上电路模型的主要特点是：不对逆变器负载做任何假定，并把负载电流和逆 ， 变桥输出电压一样处理为逆变器的一个外来激励。这样，可以使逆变器的数学模型 形式简单并且不依赖具体的负载类型。 2 1 2 连续时间状态空间模型 状态空间模型的具体形式与所选状态变量有关，根据控制方案的特点可以选择 不同的状态变量。这里选择电感电流屯和电容电压吧为状态变量，列写状态方程如 下： c 盟：f ，一，( 2 1 ) 斑 。 上等= u v c - ，