（模式识别与智能系统专业论文）正弦波逆变电源的研究.pdf

摘要 论文题目：正弦波逆变电源的研究 学科专业：模式识别与智能系统 研究生：宋卫章 指导教师：李敏远教授 摘要 签名： 签名： 现代电力电子技术的迅猛发展，使逆变电源广泛应用于各个领域，同时对逆变电源输 出电压波形质量提出了越来越高的要求。逆变电源输出波形质量主要包括三个方面：一是 稳态精度高：二是动态性能好：三是负载适应性强。因此既具有结构简单又具有优良动、静 态性能和负载适应性的逆变电源，一直是研究者在逆变电源方面追求的目标。本文针对逆 变电源多环控制方案、输出相位控制、逆变电源模拟控制系统和数字化控制系统进行研究， 以期得到具有高品质和高可靠性的逆变电源。 本文研究了逆变电源的控制原理，建立了逆变电源系统动态模型，在此基础上对逆变 电源的各种单环控制系统的性能进行了对比研究，确定了一种新颖的高性能逆变电源多环 控制方案。针对逆变电源输出相位存在固有滞后问题，首先采用了一种利用电压瞬时值内 环对逆变电源滞后的相角进行补偿控制的策略，分析和实验结果表明上述控制策略虽然有 效，但无法做到输出相角稳态无差，对此，提出了一种新型的逆变电源相位控制方案，该 方案在电压瞬时值相位补偿控制的基础上引入相位超前网络对电源滞后的相角迸一步进 行补偿控制，从而使逆变电源输出相位做到稳态无差，仿真和实验结果都证明了该控制方 案的可行性。论文还研究了逆变电源主电路参数，包括逆变器、吸收电路、驱动电路、变 压器和滤波器，并对逆变电源变压器的偏磁产生原因进行了深入分析，最后给出了有效的 抗偏磁措施。本文还设计了逆变电源数字控制系统，并用d s p 对其进行了实现多环反 馈控制系统的采用，使系统具有优异的稳态特性、动态特性和对非线性负载的适应性。最 后各研制了一台2 k v a 的多环模拟控制系统逆变电源实验样机和数字化控制系统逆变电 源实验样机，切换负载实验和负载适应性实验分别验证了逆变电源系统具有良好的动态性 能和负载适应性。 关键词；逆变电源；多环控制；相位补偿控制；数字化 西安理工大学硕士学位论文 1 1 t i e ：t h er e s e a r c h0 fs i n e - f a v ei n v e r t e rp o w e rs u p p l i e s m a j o r ：p a t t e r ni d e n t i f i c a t i o na n d i n a m e = w e i z h a n gs o n g s u p e r v i s o r = p r o f m i n y u a nu a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ca c p o w e rs u p p l i e sa r ew i d e l yu s e d i na l o to ff i e l d s t h er e q u i r e m e n to u t p u tw a v e f o r mo fa c p o w e rs u p p l i e si sr i s i n g t h eo u t p u t q u a l i t yo fa cp o w e rs u p p l i e sm a i n l yi n c l u d e st h r e ea s p e c t s o n ei st h ea c c u r a c yo fs t a b l e o u t p u tw a v e f o r m ；t h es e c o n di st h eg o o dt r a n s i e n tr e s p o n s e ；t h et h i r di st h eg o o dl o a d c o m p a t i b i l i t y s or e s e a r c ho na cp o w e rs u p p l i e sw h i c ha r en o to n l ys i m p l e , b u ta l s oh a v e b e t t e rt r a n s i e n ta n ds t a b l ep e r f o r m a n c ei sa l w a y st h el a s ta i mi nt h et e c t o n i c sf i e l do fa c p o w e rs u p p l i e s i no r d e rt og e th i g hq u a l i t ya n dh i g hr e l i a b i l i t yp o w e rs u p p l i e s ，t h i sp a p e r p r e s e n t st h es t u d yo fm u l t i p l e - l o o pf e e d b a c kc o n t r o ls c h e m e 、o u t p u tp h a s ec o n t r o l 、t h e a n a l o ga n dd i g l t a lc o n t r o ls y s t e mo fa cp o w e rs u p p l i e s t h i st h e s i sr e s e a r c ht h ep r i n c i p l eo fa cp o w e rs u p p l y - c o n t r o l ，t h e nb u i l d st h es y s t e m d y n a m i cm o d e lo fa cp o w e rs u p p l i e s t h ea cp o w e rs u p p l y - p e r f o r m a n c eo fa d o p t i n ga v a r i e t yo fs i n g l el o o pc o n t r o lm e t h o d sa r er e s e a r c h e dc o n t r a s t i v e l y a tl a s tm u l t i p l e - l o o p f e e d b a c kc o n t r o ls c h e m es u i t a b l ef o rh i g h p e r f o r m a n c ea cp o w e rs u p p l i e sh a sb e e n a d o p t e df o rt h i sp a p e r b e c a u s et h eo u t p u tv o l t a g e p h a s el a gt h es t a n d a r ds i n e - p h a s e ，t h i s t h e s i sf i r s t l ym a k e su s eo ft h e v o l t a g ei n s t a n t a n e o u sl o o pt oc o n t r o lt h eo u t p u tl a g g i n g - p h a s e ， t h i ss c h e m ei sv a l i d , b u t o u t p u t p h a s eh a ss t e a d y - s t a t ee r r o r a i ma tt h i s ，t h i st h e s i sp r e s e n t s an o v e lp h a s ec o n t r o ls c h e m e ，w h i c hm a k e so u t p u tv o l t a g ew i t h o u ts t e a d y s t a t ee r r o r ，t h i s s c h e m ei n t r o d u c e st h ep h a s ef o r w a r dn e tt oc o n t r o l o u t p u tl a g g i n g p h a s ea tt h eb a s i so ft h e v o l t a g ei n s t a n t a n e o u sl o o p t h ev a l i d i t yo ft h i ss c h e m eh a sb e e nv e r i f i e db yt h er e s u l to f s i m u l a t o ra n de x p e r i m e n t t h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r sh a v eb e e nr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r , w h i c hi n c l u d e si n v e r t e rc i r c u i t 、a b s o r bc i r c u i t 、d r i v ec i r c u i t 、t r a n s f c r m e ra n df i l t e r n c r e a s o no ft r a n s f o r m e rb i a sm a g n e t i z a t i o na r ea n a l y z e d ，a tl a s tm e a s u r e so fv a l i dr e s t r a i n e d b i a sm a g n e t i z a t i o na r eg i v e n t h a n k st om u l t i p l e l o o pf e e d b a c kc o n t r o ls c h e m e ，t h e s y s t e m h a se x c e l l e n tv o l t a g er e g u l a t i o np e r f o r m a n c e 、f a s td y n a m i cr e s p o n s e 、g o o dd i s t u r b a n c e r e j e c t i o na n dh i i g hn o n l i n e a rl o a dc o m p a t i b i l i t y a tl a s t ，2 k v a - e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e so f a cp o w e rs u p p l i e so fm u l t i p l e l o o pa n a l o ga n dd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mh a v eb e e nm a d e f a s t d y n a m i cr e s p o n s ea n dl o a dc o m p a t i b i l i t yh a v eb e e nv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n to fs t e p c h a n g ei nt h el o a da n du n d e rr a t e df u l l - w a v ed i o d eb r i d g er e c t i f i e rl o a d k e y w o r d s ：i n v e r t e rp o w e rs u p p l i e s ；m u l t i p l e l o o pc o n t r o l ；p h a s ec o m p e n s a t o r yc o n t r o l ；d i g i t a l 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：黍鲤卫哆年乡月刁日 学位论文使用授权声明 本人彝组在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：逊导师签名： 知游； 绪论 1 绪论 逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳 压恒频的交流输出逆变电源技术是一门综合性的专业技术，它横跨电力、电子、微处理 器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一逆变电源广泛应用 于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域。“ 1 1 逆变电源基本概念 图1 - 1 所示为典型的交流输入、输出隔离型逆变电源主电路的基本构成。从图中可以 看出，逆变电源中的能量转换过程是：输入的工频交流电经过整流电路成为直流电，直流 电通过逆变电路变为交流信号s p w m 波，其基波频率是逆变电源的输出频率，该信号经 输出变压器隔离，再由l c 滤波器滤成正弦波。这一能量转换、传递的过程通常表示为 a c d c - a c 。直流输入、输出隔离型的逆变电源结构与图1 - 1 基本相同，只是不再需要输入 端的整流电路，能量转换传递的过程可表示为d c a c 。在逆变电源中，逆变器及其控制是 逆变电源的核心。 逆变电源是一种交流输出电源，按照输出电压的相数分类，逆变电源可分为单相逆变 电源和三相逆变电源。三相逆变电源按照输出有无中线又可分三相四线制逆交电源和三相 三线制逆变电源。按照逆变电源的额定输出功率来分类，逆变电源可分为小容量逆变电源 ( o 5 k v a 一1 0 m a ) 、中等容量逆变电源0 0 z c v a 一5 0 k v a ) 及大容量逆变电源( 5 0 k v a 以 t ) 。“l 图1 1 典型的逆变电源主电路 f i g u r e1 - 1t h em a i nc i r u i to f t y p i c a li n v e r t e r p o w e rs u p p l i 1 2 逆变电源发展概况 逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源 的发展。逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的2 0 世纪6 0 年代，到目前为止它己经历了 三个发展阶段。 第一代逆变电源的特点是采用晶闸管( s c r ) 作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变 西安y 星y - 大学硕士学位论文 电源可控硅逆变电源的出现虽然可以取代旋转型交流机组，但由于s c r 是一种没有自关 断能力的器件，因此必须增加换流电路来强迫关断s c r ，但换流电路复杂、噪声大、体积大、 效率低等原因却限制了逆变电源的进一步发展 第二代逆变电源的特点是采用自关断器件作为逆变器的开关器件。自2 0 世纪7 0 年代后 期，各种白关断器件相运而生，它们包括可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g t r ) 、功率场 效应晶体管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 等。自关断器件在逆变器中的应用大 大提高了逆变电源的性能，逆变器采用自关断器件的好处是：1 ) 简化了主电路由于自关 断器件不需要换流电路，因而主电路得以简化、成本降低、可靠性提高2 ) 提高了性能 由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而使逆变桥输出电压中低次谐波含量 大大降低，因而使输出滤波器的尺寸得以减小，逆变电源的动态特性及对非线性负载的适 应性也得以提高。在自关断器件当中，i g b t 以其开关频率高、通态压降小、驱动功率小、 模块的电压电流等级高等优点已成为中小功率逆变器的首选器件。i g b t 逆变电源己成为中 小型逆交电源的主流。 第二代逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的卵册f 控制技 术。图i - 2 是第二代逆变电源典型控制方法示意图，输出电压有效值或平均值反馈控制使 逆变电源输出电压幅值稳态无差。 图1 - 2 单一的电压有效值反馈控制方法示意图 f i g u r e1 - 2 t h es k e t c h m a p o f m e t h o d o f s i n g l e v o l t a g e v i r t u a l v a l u e f e e d b a c k c o n t r o l 第二代逆变电源所采用的控制方法具有结构简单、容易实现的优点，但由于它所采用 的s p w m 控制技术只注重如何通过恰当设计开关模式来实现逆变器输出频谱的优化，没 有考虑信号传输过程中开关点的变化及负载的影响，存在以下缺点：1 ) 对非线性负载的适 应性不强。当逆变电源输出带非线性负载时，负载电流中的低次谐波电流将流过电源的内 阻，引起输出电压波形畸变。2 ) 死区时间的存在将使s p w m 波中含有不易滤掉的低次谐 波，使输出电压波形发生畸变。3 ) 动态特性不好。负载突变时输出电压调整时间长。之所 以出现这种情况，是因为系统中仅存在电压平均值或有效值反馈，面没有瞬时值反馈4 ) 给定电压与输出电压之间的相位差受负载影响较大，在三相电源中，三相输出之问的相差 不易满足1 2 0 0 要求。 第三代逆变电源的特点是采用了实时反馈控制技术，使逆变电源的性能得到提高实 时反馈控制技术是针对第二代逆变电源对非线性负载的适应性不强及动态特性不好的缺 点提出来的，它是近十年来发展起来的新型电源控制技术，目前仍在不断地完善和发展之 2 中，实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。实时反馈控制技术多种多 样，主要有以下几种呻1 ：1 ) 重复控制。2 ) 谐波补偿控制。3 ) 无差拍控制。4 ) 单一的 电压瞬时值控制。5 ) 带电流内环的电压瞬时值反馈控制。其中以第五种控制方法因实现 方便，逆变电源动态性能优越和对负载的适应性强等优点而被广泛采用。 1 3 课题意义及主要研究内容 早些时候人们一直用旋转型变流机组产生交流电，旋转型变流机组它是由同轴联接的 原动机和发电机组成的，其中原动机可以是油机，也可以是电动机，输出交流电压是发电 机发出的。但旋转型变流机组存在噪声大、输出电压的动态特性差、机械损耗和电能损耗 较大、效率较低、设备庞大笨重、操作不够灵活等诸多弊病，于是人们一直寻求新型产生 交流电的装置。逆变电源也是一种产生交流电的装置，它具有以下优点：其一，变频，逆 变电源能将市电转换为用户所需频率的交流电：其二，变相，逆变电源能将单相交流电转 换为三相交流电，也能将三相交流电转换为单相交流电：其三，逆变电源能将直流电转换 为交流电；其四，逆变电源能将低质量的市电转换为高质量的稳压稳频的交流电。于是逆 变电源将逐渐取代旋转型交流机组。目前，逆变电源技术的核心部分是逆变器和其控制部 分，虽然自关断器件的产生简化了主电路，但它的开关频率和功率仍受一定的限制，于是 逆变电源输出波形正弦度仍不是很理想。虽然在控制方法上已经趋于成熟，但有些控制方 法实现起来仍很困难。因此，对逆变电源技术进行深入的研究有很大的现实意义 本课题主要研究内容： 在逆变电源技术的研究方面，本文将深入分析逆变工作原理及s p w m 控制原理并 建立逆变电源动态模型 逆变电源控制方法研究对逆变电源采用各种控制方法时的性能及优缺点进行对比 分析，从而确定本文逆变电源的控制方案。 逆变电源主电路研究。其中包括整流平波部分、逆变器部分、驱动部分、变压器 部分和滤波器部分，并对逆变电源变压器的偏磁产生原因进行深入分析，以找出有效 的抗偏磁措施。 逆变电源输出正弦波相位控制研究钎对电压瞬时值相位补偿控制方案无法做到 使逆变电源输出正弦波相位与标准正弦信号相位静态无差，本文将提出一种新型的逆变电 源相位控制方案，使逆变电源输出相位做到稳态无差。 制作一台4 0 0 h z2 k v a 的多环模拟控制系统逆变电源实验样机，并在上面做切换 负载实验和带非线性整流负载实验。 利用d s p 对逆变电源s p w m 部分、死区部分、屯压有效值外环及电压瞬时值内 环部分实现全数字化，并进行数字化控制系统逆变电源带载实验。 西安理工大学硕士学位论文 2 逆变电源控制系统研究 2 1 逆变系统原理 与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变逆变电路根据直流侧电源性质的不同 可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变 电路。本文所研究的电源是为了在输出得到稳压恒频的电压信号，故采用电压型逆变电路。 在同一直流电压输入情况下，全桥逆变电路输出电压是半桥逆变电路输出电压的二倍，故 文中逆变电源逆变器部分采用全桥逆变电路。 下面介绍全桥逆变电路： 电路原理图见图2 _ l ，它共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。把桥臂 1 和4 作为一对，桥臂2 和3 作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通1 8 0 。， 即1 ，4 导通时关断2 ，3 ；2 ，3 导通时，关断1 ，4 。负载为阻感负载时，其输出波形如 图2 - 2 所示图中嘎，k ，v d ：，k 相继导通的区间，分别对应与图2 2 中的v d i 和v d ， k 和圪，v d 2 和v d 3 ，k 和k 相继导通的区间。 博 邕点1 v d _ 。“z 图2 - 1 全桥逆变电路 f i g u r e2 - 1t h ec i r u i tf o rf u l l - b r i d g ei n v e r t e r v d lv d 2v d i 哆 图2 屹全桥逆变电路输出波形 f i g u r e2 - 2o u t p u tw a v e f o r mf o rf u l l - b r i d g ei n v e r t e rc i r u i t 对其电压波形进行定量分析，把幅值为仉的矩形波展开成傅立叶级数得： 4 逆变电源控制系统研究 ”孚蛐詈如s 咖s )石j) 其中基波的幅值u o 。和基波有效值0 分别为 u m 。盟。1 2 7 u - 玎 2 4 - 2 u _ _ 竺o 9 虬 石 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 于是由逆变原理可知，如果控制i g b t 的开通与关断的频率，那么输出电压的频率和 i g b t 的开关频率便存在一定的对应关系，因此产生精确控制昭b r 开关频率的驱动信号 便成为了本文研究的重点。 2 2 逆变电源系统动态模型 一( 簿 譬 图2 3 逆变电源的系统结构图 f i g u r e2 - 3s y s t e mc o n f i g u r a t i o no fi n v e r t e rp o w e rs u p p h e s 图2 - 3 所示为逆变电源的系统结构图，当逆变器的开关频率正远大于信号波e l 的基波 频率厶，信号波e j 中的基波及低次谐波与逆变器输出电压中的对应分量存在固定比例关 系。因此对基波及低次谐波而言，p w m 逆变器可以看作比例环节，其增益为i 白w m - - - - e d u t ， 其中e d 为直流侧电压，u 为三角波幅值交压器也可等效为一个比例环节，其增益为变压 器变比k 的倒数。于是p w m 逆变器和变压器一起可写成a = k p w 舭，在l c 滤波器中各电量间 的关系可表示为： 以一u o s l 屯 l 上一l o 一c u 生 。 s c ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 结合式( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 可以得出逆变电源主电路的动态模型如图2 4 所示，其中血 是扰动输入，它表示系统中的非理想因素的影响，这些因素包括：死区时间效应、变压器 铁心励磁特性非线性等。 5 西安理工大学硕士学位论文 图2 - 4 逆变电源主电路动态模型 f i g u r e 2 - 4 t h e m a i nc i r u i t d y o a m i c m o d e l o f i n v e r t e r p o w e r s u p p f i e s 针对图2 4 所示的逆变电源主电路结构图，本文的控制系统采用多环控制系统，即电 压有效值控制外环、电压瞬时值内环和电容电流瞬时值内环用( ，表示有效值外环的给 定直流信号，墨为有效值外环的反馈系数。用给定与电压反馈信号的差值作为p l 调节器 的输入，调节器的输出用来调节标准正弦波的幅值，其电压有效值外环的动态模型如图2 - 5 最外环所示即是电压有效值外环的输出又是电压瞬时值内环的给定，实际它表示标 准正弦信号，j ( 2 为电压瞬时值内环的反馈调节系数，为电压瞬时值反馈通道上低通滤 波器的小时间常数，之所以要在电压瞬时值反馈通道上加入低通滤波器，是因为电压传感 器容易引入附加的高次谐波，影响输出电压的波形质量“，故必须用低通滤波器将其滤 掉j l 为瞬时值电压调节器，用瞬时值电压调节器的输出作为电容电流内环的给定信号。 k 为电流内环的反馈调节系数，e 。为信号波。于是基于三环控制的逆变电源系统动态模 型可表示为图2 5 所示。 图2 _ 5 逆变电源系统动态模型 f i g u r e 2 - 5 s y s t e m d y n a m i c m o d e l o f i n v e r t e r p o w e rs u p p l i e s 2 3 逆变电源控制方法研究 2 3 1 逆变电源控制方法概述 随着逆变电源技术不断地完善和发展，逆变电源的控制技术也出现了多种多样，主要 有以下几种“1 ： 8 无差拍控制 无差拍控制是一种基于微机实现的控制方法。这种控制方法根据逆变电源系统的状态 方程和输出反馈信号来推算下一个采样周期的开关时间，使输出电压在每个采样点上与给 定信号相等无差拍控制有非常快的暂态响应，但它有着明显的自身缺点：( 1 ) 无差拍控 6 逆变电源控制系统研究 制系统的鲁棒性不强，当负载变化，非线性负载或者温度、运行条件等原因出现参数波动， 都容易造成系统的不稳定；( 2 ) 系统的误差与调制比、输出的l c 滤波器参数等有关：( 3 ) 瞬态超调量较大。 b 重复控制 重复控制它是将一个基波周期的偏差存储起来，用于下一个基波周期的控制，经过几 个基波周期的重复可达到很高的控制精度。在这种控制方法中，加到控制对象的输入信号 除偏差信号外，还迭加了一个“过去的控制偏差”，这个“过去的控制偏差”是上一个基 波周期中的控制偏差，把上一个基波周期的偏差反映到现在并且和“现在的偏差”一起加 到控制对象进行控制，这种控制方式，偏差好像在被重复使用，所以称为重复控制。目前， 重复控制技术用在逆变电源控制系统当中，用来克服整流负载引起的输出电压波形的周期 性畸变，改善输出电压波形。但是重复控制系统的动态性能较差。 c 带电流内环的电压瞬时值反馈控制 带电流内环的电压瞬时值反馈控制方法是在单一的电压瞬时值反馈控制方法的基础 上提出来的，在这种方法中，不但引入了输出电压的瞬时值反馈，还引入滤波电容电流或 滤波电感电流的瞬时值反馈，电压环是外环，电流环是内环。电流环具有将滤波电容电流 或滤波电感电流改造为可控的电流源的作用，因而系统的稳定性大大提高，克服了单的 电压瞬时值反馈控制系统空载容易振荡的缺点。由于稳定性的提高使得电压调节器增益可 以取比较大的值，所以突加突卸负载时输出电压的动态特性能大大提高，抗扰性大大提高， 对非线性负载的适应性也大大提高。 2 3 2 各种瞬时值反馈控制方法性能比较 a 单一的电压瞬时值反馈控制2 ”1 单一的电压瞬时值反馈控制方法示意图如图2 6 所示。电压瞬时值反馈的引入使系统 性能得以提高，但由于空载时受控对象( l c 滤波器) 具有接近无阻尼的二阶传递函数，导致 空载时系统的稳定性并不很理想，同时没有对输出电流进行控制，所以带非线性负载时输 出波形特别差，故该方法的控制性能不是很理想。 l c 滤波罄 图2 6 单一的电压瞬时值反馈控制方法示意图 f i g u r e2 - 6t h es k e t c hm a po fm e t h o do fs i n gev o l t a g ei n s t a n t a n e o u sf e e d b a c kc o n t r o l b 带滤波电感电流内环的电压瞬时值反馈控制8 州 带滤波电感电流内环的电压瞬时值反馈控制方法示意图如图2 - 7 所示滤波电感电流 7 西安理工大学硕士学位论文 内环的引入，使滤波电感电流成为可控的电流源，这样从电压调节器的输出到电感电流屯 之间的部分可以看成一个近似的比例环节，使得系统的稳定性大大提高：同时滤波电感电 流内环对包含在环内的扰动，如输入电压的波动、死区时间的影响、变压器铁心励磁特性 非线性的影响、电感参数的变化等都能起到及时的调节作用。和单一的电压瞬时值反馈控 制方式相比，系统的稳态性能和动态性能都大大提高，特别是由于负载电流控制的引入， 使系统带非线性负载时输出电压的正弦度有了很大程度的改善，但需要增加一个检测大电 流的电流传感器，特别是在大容量逆变电源中，成本太高 l g 滤渡器 图2 7 带滤波电感电流内环的电压瞬时值反馈控制方法示意图 f i g u r e 2 - 7 t h es k e t c h m a p o f v o l t a g e i n s t a n t a n e o u s f e e d b a c k c o n t r o l m e t h o d w i t h 珂l e r i n d u c t o r c u r r e n t i n s i d el o o p c 带滤波电容电流内环的电压瞬时值反馈控制 带滤波电容电流内环的电压瞬时值反馈控制方法示意图如图2 谓所示，滤波电容电流 内环的引入，使滤波电容电流成为可控的电流源，这样从电压调节器的输出到电容电流f c 之间的部分可以看成一个近似的比例环节，从而使得系统的稳定性大大提高：同时，滤波 电容电流内环对于包含在环内的扰动，如输入电压的波动、死区时间的影响、变压器铁心 励磁特性非线性的影响、电感参数的变化、负载电流的变化等都能起到及时的调节作用， 使得系统的稳态特性、动态特性和对非线性负载的适应性等都大大提高。滤波电容电流内 环的引入比滤波电感电流内环的引入更具优越性，因为滤波电容电流内环对负载电流的变 化起到及时的调节作用，但却不需要增加一个检测大电流的电流传感器，而滤波电感电流 内环要正常工作则必须增加一个检测大电流的电流传感器，并且滤波电感电流随负载电流 变化而变化，滤波电容的电流在输出电压稳定时是不变的，不会像滤波电感电流那样随负 载电流变化而变化，因此只需一个检测小电流的电流传感器。带滤波电感电流内环的电压 瞬时值控制要达到带滤波电容电流内环的瞬时值控制的效果，必须引入负载电流的前馈补 偿控制。 8 逆变电源控制系统研究 l c i 暮渡器 图2 8 带滤波电容电流内环的电压瞬时值反馈控制方法示意图 f i g u r e2 - 8t h es k e t c hm a po f v o l t a g ei n s t a n t a n e o u sf e e d b a c kc o n 仃o lm e t h o dw i t hf i l t e rc a p a c i t o r m u t c n ti n s i d el o o p 由于带电容电流内环的电压瞬时值反馈控制方法，既能使逆变电源获得比较好的动态 性能，又能使逆变电源能获得比较好的稳态性能，并且在对负载适应性很强的条件下不需 要检测大电流的电流传感器。于是本文便采用带滤波电容电流内环的电压瞬时值反馈控制 作为本文逆变电源的控制方案，为了抑制电网电压波动或负载变化引起的输出电压波动， 本文在电容电流内环、输出电压瞬时值外环的基础上增加一个最外环即电压有效值最外 环。 2 。3 3 多环控制系统特性分析 a 带非线性负载时输出电压波形正弦度分析 逆变电源所带最恶劣的负载便是非线性负载，例如整流性负载，因为假设在带非线性 负载前逆变电源输出为纯正弦波形，带非线性负载后负载中流过的电流并非正弦波而是发 生了畸变的类正弦，这个发生了畸变的电流会影响输出电压的正弦度，使输出电压波形发 生畸变。本文利用电压瞬时值内环和电容电流瞬时值最内环对逆变电源进行控制，使逆变 电源在带非线性负载时输出仍保持很好的正弦度。下面就从控制前后，逆变电源工作在非 线性负载条件下所含谐波大小进行分析。 在图2 5 逆变电源系统动态模型中，令u - - 0 ，纽= o ，忽略t u 、，设i 。表示非线性 负载产生的第n 次谐波电流的幅值，为基波角频率，则根据图2 5 可得开环时该谐波电 流引起的输出电压中第n 次谐波电压幅值为： 玑。而斋l c z z ， 加电容电流和电压瞬时值双环控制后，该谐波电流引起的输出电压中第n 次谐波电压 幅值为： 配。而霖霖翥亳菰霖雨 c z s ， 玑的大小反映了系统对非线性负载的适应性的强弱，对于一定的l ，u 越小，说明 西安理工大学硕士学位论文 系统对非线性负载的适应性越强。比较( 2 7 ) 式和( 2 8 ) 式可知u ，u ，放电容电流 和电压瞬时值双环提高了系统对非线性负载的适应性，改善了逆变电源带非线性负载时输 出电压的正弦度。从式( 2 8 ) 还可以看出：在提高系统对非线性负载的适应性，改善输 出电压正弦度方面，电容电流瞬时值内环的作用优于电压瞬时值内环的作用。 b 死区时间及变压器的非线性励磁特性引起的输出波形畸变分析 死区时间及变压器的非线性励磁特性的存在，将使l c 滤波器的输入端出现不易滤除 的低次谐波电压a 比，设a u 。表示a 中第n 次谐波电压的幅值，在图2 - 5 逆变电源系统 动态模型中，令u 卸，f 0 = 0 ，忽略t - 、1 1 ，则根据图2 - 5 可得开环时由死区时闻及变压 器的非线性励磁特性引起的输出电压中第f 1 次谐波电压幅值为： a 【，1 。 ，a ( 2 9 ) ( 1 一 2 0 2 比) 2 加双环控制后，死区时间及变压器的非线性励磁特性引起的输出电压中第n 次谐波电 压幅值： 一一 1 2 蜘：。了= = # 专= = = = = -，a u ( 2 1 0 ) 、a 一以2 z c + 饯k ) 2 + ( n c 9 4 9 ) 2 a c ，的大小反映了系统对死区时间等非理想因素的抑制能力，对于一定的比，a u 越小，说明系统的抑制能力越强比较( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 可知【，a 玑。，故电容电流和 电压瞬时值双环提高了系统因死区时间及变压器非线性励磁特性引起的输出波形畸变的 抑制能力。并从式( 2 1 0 ) 还可以看出：在抑制因死区时间及变压器非线性励磁特性引起 的输出波形畸变，改善输出电压正弦度方面，电容电流瞬时值内环的作用优于电压瞬时值 内环的作用 c 逆变器输出电压的谐波分析 对图2 - 5 所示的带滤波电容电流内环的电压瞬时值控制系统进行研究，结果表明，在 不发生多次相交现象时，虽然信号波e t 中含有大量的高次谐波，但逆变器输出电压中的高 次谐波大小主要由信号波的基波大小决定，所以在分析逆变器输出电压中的高次谐波大小 时，信号波可用其基波代替，如图2 9 所示。在图2 9 中，设三角波的幅值为仉，角频率为q ， 设信号波e l 的基波为一毛s i ( n v + 力，为基波角频率，定义调制度口- 毛v 。，则 当q ，a 1 ，逆变器的输出电压可表示为： 峨。i n ( w o t 4 - 力+ 妻( - 1 ) 譬邬。( 等勺c o s ( n o , , t ) _ _ 黯一 玎耳 二 + 麦厶( 罕) 【c o s 砸( + n o 口, ) t + k v ) + c o s ( ( k o j o 一万q ，+ j 嘞】， ( 2 1 1 ) 量之互6 h + 。羡( - 妒长盖以# 【s i n ( 瞄a , 0 + 弹q y + 黝+ s i n 一以q y 4 - 黝】 式中：，。表示k 阶贝塞尔函数 由式( 2 1 1 ) 知，逆变器输出电压中的高次谐波分布在整数倍的载波频率附近，在所 1 0 逆变电源控制系统研究 有高次谐波中，载波频率谐波是幅值最大的谐波，它对逆变电源输出电压波形的影响最大， 载波频率谐波很容易被滤波器滤除，故在逆变电源输出端很容易得到正弦度较好的输出波 形。 d + 局 0 一邑 l * 她 廊a 人l vvvvv v 卅w ； “且 _ n 几nr 几几nnf 1 几。 juu uuuuu uul ； 图2 _ 9 双极性s p l 4 , t v l 控制下的信号波、载波和逆变器输出波形 f i g u r e2 - 9t h es i g n a lw a v c 、c a n e rw a v oa n di n v e r t e ro u t p u tw a v e f o r mu n d e rb i p o l a rs p w m c o n t r o l d 逆变电源的稳态相角误差分析 设0 、0 0 分别表示给定电压与输出电压的相角，为基波角频率，忽略小时间常数 t i 。设负载等效电阻为r ，根据图2 - 5 可得开环时系统的相角误差6 。为： 6 - 0 一0 竺! ! 竺：竺：盖( 2 1 2 ) ，6 ，一o 。a r c t s i ：i 矿 z 1 2 设逆变电路的输出频率为，o ，滤波电路的截止频率为丘，要保证基波无衰减传输， 则必须有： ，o 一券t t ，c 。尼瓜) 1 3 由( 2 1 3 ) 式可得：1 一2 l c ，0 ，结合( 2 1 2 ) 式知：6 。 0 。可以看出开环时系统输 出正弦波的相位总是滞后该相给定标准正弦波的相位。图2 - 1 0 所示为不进行相位控制时 单相逆变电源输出正弦与标准正弦仿真波形，由于滤波器的影响，输出正弦相位滞后标准 正弦相位较大，经计算为4 0 3 2 0 ，实验结果表明：如果不进行相位控制，主电路输出正弦 波相位相对该相的标准正弦信号相位滞后了2 2 5 。图2 - 1 1 所示为不进行相位控制滤波时 间常数不一致时三相输出正弦仿真波形，三相相位差为：a b1 2 7 7 4 0 , b c1 4 5 1 6 0 ，8 7 1 0 0 ， 由相位差数据知，三相相位差没能满足1 2 0 0 要求。因为三相中每相滞后的相角都不一致， 于是要使三相电源任二相之间的相位满足1 2 0 0 ，必须对三相电源每一单相进行相位控制， 使每相输出正弦波相位严格跟踪该相给定标准正弦波的相位。 1 1 西安理工大学硕士学位论文 ；o o o 十一十 - 、 ， 三燕 ；矗毒z 1泔厶 卜哥熙 、： ， 蘑挚群誊j ；燮； ! 。i j r ! i l t s4 o m s6 o n $8 o a t s a7c v i o i ：+ v f r 工8 ：2 图2 一l o 不进行相位控制时单相输出与标准正弦仿真波形 ( 8 ：标准正弦波，b ：输出波形b 滞后a 相位4 0 3 2 勺 f i g u r e 2 - 1 0 s i n g l e p h a s e o u t p u t a n ds t a n d a r ds i n e w a v e f o r m o f s i m u l a t i o n w i t h n o p h a s e c o n t r o l ( a ：s t a n d a r ds i n e , b ：o u t p u tw a v e f o r m bp h a s el a ga4 0 3 2 0 ) 【上立j i i i 隰鞲 膘受型 了。j 。j 。 2 o ut 0 a s6 0 t ， av ( n 0 9 8 3 5 4 ，v ( n g z 3 4 4 7 ) ，vc h 2 3 6 7 6 4 t i m e 图2 一l l 不进行相位控制滤波时问常数不一致时三相输出正弦仿真波形 ( 三相相位差：曲1 2 7 7 4 0 , b e1 4 5 1 矿，8 7 1 0 d ) f i g u r e 2 - 1 1 t h r c e p h a s e s o u t p u ts i n e w a v e f o r m o f s i m u l a t i o n w i t h n o p h a s e