（电力电子与电力传动专业论文）单相逆变器带开关模糊补偿的重复控制研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo u t p u tv o l t a g eo f4 0 0 h zc v c fi n v e r t e ri sr e q u i r e dt of c l l o wac o n s t a n t v o l t a g e c o n s t a n t f r e q u e n c ys i n u s o i d a lc o m m a n d i t sp e r f o r m a n c ei s e v a l u a t e di nt e r m so fo u t p u t v o l t a g ew a v e f o r r nd i s t o r t i o i lw i t h1 i n e a r o rn o n l i n e a rl o a d sa n dt r a n s i e n tr e s l ； o i l s ed u et o s u d d e nc h a n g e si nt h el o a d i nt h i sp a p e rar e p e t i t i v ec o n t r o lt e c h n i q u ew i t hs w i t c hf u z z y c o m p e n s a t i o nf o rs i n g l e d h a s e4 0 0 h z i n v e r t e r si sp r e s e n t e d b a s e do nt h es t a t e s 口a c e a v e r a g i n ga n dl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e ，t h ec o n t i n u o u s a n d d i s c r e t em o d e l so fs i n g l e d h a s ei n v e r t e ra r ee s t a b l i s h e dw i t ht h el o a dc u r r e n tt r e a t e da sa d i s t u r b a n c e u s i n gc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n t h em o d e lo ft h r e e p h a s ep w m i n v e r t e ri s c o n v e r t e dt ot w os i n g l e d h a s i n v e r t e r as i m u l a t i o nm o d e lt a k i n gi n t oa c c o u n td e a d - t i m e e r i e c ta n dd e v i c e sl o s si se s t a b l i s h e dw i t hm a t l a bs o f t w a r e t h ei n f l u e n c eo fd e a d - t i m e f l u xi m b a l a n c ea n dn o n l i n e a rl o a d so no u t p u tv o l t a g ei ns i n g l e - p h a s ef u l l - b r i d g ei n v e r t e r si s a n a l y z e d i nt h i sp a p e la ne x p e r i m e n ti sa d o p t e dt om e a s u r et h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h e i n v e r t e ru n d e rn o1 0 a da n dd e t e r m i n et h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h ed a m p i n gr a t i oo ft h e s e c o n do r d e rm o d e l r e p e t i t i v ec o n t r o li sa p p l i e dt og e n e r a t eh i g h q u a i l t ys i n u s o i d a lo u t p t a v o l t a g ei ns t e a d ys t a t e t h ei n v e r s em o d e io fi n v e r t e ru n d e rn o1 0 a di su s e dt oa t t e n u a t et h e r e s o n a n tp e a kr e s u l t i n gf r o mt h ei n v e r t e ri no r d e rt oo b t a i ns t a b i l i t ya n ds a t i s f a c t o r yh a r m o n i c r e j e c t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a ti ti sa b l et op r o d u c eal o wt h d o u t p u tv o l t a g eo f 4 0 0 h zi n v e r t e r b u to u t p u to fr e p e t i t i v ec o n t r o lf u n c t i o na f t e raf u n d m e m a lc y c l er e s u l ti ni t s d y n a m i cr e s p o n s e i sp o o rw i t hs u d d e ni o a d c h a n g e t h ei n v e r t e rc a nb er e g a r d e da san o n l i n e a rs y s t e md u et od e v i c e sw o r k i n gi ns w i t c h i n g m o d e f u z z yl o g i c c o n t r o l l e rc a nh a n d l e n o n l i n e a r i t ya n dd o e s n o tn e e da c c u r a t e m a t h e m a t i c a lm o d e l t h ef u z z i f i c a t i o n ，c o n t r o l - r u l eb a s ea n dd e f u z z i f i c a t i o ni nt h ed e s i g no f t h es w i t c hf u z z yc o n t r o l l e ra r ed i s c u s s e d t h ee f f e c to ft r a n s f o r mi n d e xa n dp r o p o r t i o n a l i n d e xi n f u z z y c o n t r 0 1 s y s t e m i s a n a l y z e d s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h e r e p e t i t i v e c o n t r o l l e rw i t hs w i t c hf u z z yc o m p e n s a t i o ni sa b l et op r o d u c eab e t t e rd y n a m i cr e s p o n s ew i t h s u d d e nl o a d c h a n g e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o lt e c h n i q u ec a na c h i e v en o to n l yl o w t h d d u r i n gs t e a d y - s t a t eo p e r a t i o nb u t a l s og o o dt r a n s i e n t r e s p o n s es u b j e c tt o l o a d s t e p c h a n g e k e y w o r d s ：4 0 0 h zi n v e r t e rd e a d - t i m ee f f e c tf l u xi m b a l a n c e n o n l i n e a rl o a d sw a v e f o r md i s t o r t i o n d y n a m i cr e s p o n s e r e p e t i t i v ec o n t r o l s w i t c hf u z z y c o m p e n s a t i o n u 华中科技大学硕士学位论文 1 1 电力电子技术概述 1 绪论 以电力为对象的电子技术称为电力电子技术( p o w e re l e c t r o n i c s ) ，它是- - t j 利用电 力电子器件对电能进行控制和变换的学科。如果说微电子技术是信息处理技术，那么电 力电子技术就是电力处理技术。 电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分，其中以电力电子 器件的制造技术为核心技术。电力电子技术是电力、电子、控制三大电气工程技术领域 之间的交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术又与现代控制理论、材料科学、 电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前，电力电子技术已逐渐成为一门多学 科互相渗透的综合性技术学科。 当代许多高新技术均与电网的电流、电压、频率和相位等基本参数的变换与控制相 关，现代电力电子技术能够实现对这些参数的精确控制和和高效率的处理，特别是能够 实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供了有力的支持。因而，现 代电力电子技术不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术的发展基础。电 力电子技术及其产业的进一步发展必将成为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生 产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响。 功率半导体器件是电力电子技术的核心和关键。电力电子器件的每一步发展都会为 电力电子电路和控制技术的发展提供突破口。1 9 5 8 年世界上第一支晶闸管( 早期称为可 控硅整流管，3 0 0 v 2 5 a ) 研制成功。使半导体技术在工业领域的应用发生了革命性的变 化，有力地推动了大功率( 高电压、大电流) 电子器件多样化应用的进程在随后的二十 多年里功率半导体器件在技术性能和应用类型方面又有了突飞猛进的发展，先后分化 并制造出功率逆导晶闸管、三端双向晶闸管和可关断晶闸管等。在此基础上为增强功率 器件的可控性，还研制出双极型大功率晶体管、开关速度更高的单极m o s 场效应晶体 管和复合型高速、低功耗绝缘栅双极晶体管i g b t ，从此功率半导体器件跨入了全控开 关器件的新时代。尤其是进入二十世纪8 0 年代以来，微电子技术与电力电子技术在各 自发展的基础上相结合产生了新一代高频化、全控型的功率集成器件，单个器件的容量 明显增大，控制功能更加灵活，价格显著降低，派生的新型器件不断涌现。功率全控开 关器件模块化和智能化集成电路已经形成，产品性能和技术参数也不断改进和完善，使 电力电子技术出传统电力电子技术跨入现代电力电子技术的新时代。因此，在某种意义 上可以说电力电子技术的发展是以功率半导体器件的发展为核心的旧】。 华中科技大学硕士学位论文 电力电子电路根据能量转换形式的不同分成四大类： ( 1 1 交流一直流变换电路 f 2 ) 直流一直流变换电路 ( 3 1 直流一交流变换电路 ( 4 ) 交流一交流变换电路 其中直流一交流变换电路被称为逆变电路。实现直流一交流的变换装置称为逆变 器。 按直流电源的性质分类，逆变器可以分为电压型逆变器和电流型逆变器。 按输出交流电压性质分类，可以分为恒压恒频正弦波逆变器和方波逆变器，变频变 压逆变器和高频脉冲电压( 电流) 逆变器。 按其换流方式可分为无源逆变和有源逆变。 按电路结构分类可分为单相半桥、单相全桥、推挽式和三相桥式逆变器。 目前逆变器主要用于两类工业功率控制装置中：一是恒压恒频逆变器，主要用于 u p s 电源、航空机载电源和机车辅助电源等应用场合。这是一种负载或直流电源在一定 范围内波动时，能保持输出为恒定电压和恒定频率的交流正弦波的电源装置，简称c v c f 逆变器。二是变压变频逆变器，主要用于交流调速系统中。这是一种可获得所需要的电 压、电流和频率的交流变压变频装置，简称v v v f 逆变器。本文以电压型全桥c v c f 逆变器为主要研究对象。 圈卜1 电力电子装置框图 按照生产的要求和负载的特点，选用合适的电路和控制方式可以组成实用的电力电 子装置。图i 一1 所示为电力电子装置的方框图。装置的输入通常为电力系统的单相或三 相工频交流电，或者蓄电池提供的直流电。输入电压与输入电流间的相角取决于电力电 子装置的电路结构及对其采用的控制方式。电力电子装置的输出( 电压、电流、频率及 相数) 应能够满足负载的需要。如果功率变换器的输出可看作是电压源，则输出电流( 的 波形) 以及电流与电压间的相角取决于负载的特性。电力电子装置一般采用负反馈控制 器，控制器对输出值与所需值( 参考值) 进行比较，并通过控制使得误差最小。通过电力 华中科技大学硕士学位论文 电子装置的功率流向有可能是反转的，功率流向反转时，相当于输人、输出的任务互换 4 1 。 对所有电力电子装置都应重视以下问题： a 、提高可靠性：和电磁器件相比较，电子器件的过载能力较低，而大容量装置包 含电子器件较多。提高装置的可靠性要贯穿于制作和选用、电路设计、工艺设计、安装 调试和现场维护等方面。从技术角度出发，提高器件的集成度，采用c a d 进行电路设 计，以及采用计算机进行控制、监视和故障诊断等，都是提高装鼍可靠性的重要措施。 b 、减低电磁噪声：电力电子器件工作于开关状态，电路中包含高次谐波，它不仅 会污染电网，造成对环境和本机的干扰，而且会产生畸变损耗，降低装置效率。因此设 计新型电路、采用合理的控制方式以降低装置噪声对提高电力电子装置的技术经济指标 是十分重要的。 1 2 数字化控制逆变器及4 0 0 h z 系统的特殊问题 对c v c f 逆变器而言，一般有如下的技术要求州： ( 1 ) 能输出一个电压稳定的交流电。无论是输入电压出现波动还是负载发生变化， 都要达到一定的电压稳态精度，静态时一般为2 。 ( 2 ) 能输出一个频率稳定的交流电。要求该交流电能达到一定的频率稳定精度，静 态时般为o 5 。 ( 3 ) 输出电压和频率可在一定范围内调节。般输出电压可调范围为5 ，输出频 率可调范围为2 h z 。 ( 4 ) 输出电压波形含谐波成份应尽量小。一般输出波形的总谐波畸变率( t h d ) 不 超过5 ，单次谐波畸变率不超过3 。 ( 5 ) 应具有快速的动态响应。一般动态中电压和频率的最大瞬态偏差分别不超过 1 0 和2 ，电压恢复时间不超过1 秒。 ( 6 ) 具有一定的过载能力。一般能过载1 2 5 1 5 0 ，当过载1 5 0 时要能持续3 0 秒，过载1 2 5 时要能维持l o 分钟。 ( 7 ) 尽量减小开关损耗，提高逆变器的效率。一般效率应不低于8 5 。 ( 8 ) 具有短路、过载、过电压、欠电压等保护和声光报警功能。 ( 9 ) ，起动平稳，起动电流小，运行稳定可靠。 传统的逆变器采用模拟电路控制，随着半导体微处理器的发展，使得逆变器的控制 技术正朝着全数字化、智能化的方向发展。与模拟控制相比较，全数字化控制易于采用 先进的控制方法和策略以提高逆变器的性能。易于标准化，可靠性高，体积小，维护方 便，可以很容易地组成逆变器并联系统。 对于电压源逆变器来浇，应该采用尽可能高的开关频率。采用高的开关频率可以减 华中科技大学硕士学位论文 小无源滤波器件的体积，使输出电压的畸变更小。但是能够采用多高的开关频率还受到 目前半导体开关器件的限制，在中大功率场合常用的g t o 和i g b t 的开关频率也就几 k h z 到几十k h z 。较低的开关频率会在基波中引入数十h z 到数百h z 的谐波，所以通常 要求开关频率是输出基波频率的2 个数量级左右【6 1 。 通过数字处理器可以方便地改变控制算法实现逆变器的反馈控制。首先，如果是三 相逆变器的控制，常常需要进行坐标变换，这一点对模拟电路是很难实现的，但对于数 字信号处理器来说，坐标变换是非常容易实现的。其次，使用数字控制方法可以方便地 实现安全保护功能，并且使用数字控制可以很容易地与其他功率变换设备或用户接1 2 1 装 置通讯。 4 0 0 h z 系统在体积和重量上都相对于5 0 h z 工频系统有优势，因为基波频率的提高 使4 0 0 h z 系统中的无源滤波器件可以更小。此外，4 0 0 h z 系统可以提高感应电机的速度， 因为同步感应电机的速度与定子电压的频率成正比。由于以上原因，4 0 0 h z 系统在航空、 航海和电力机车等对体积重量要求比较严格的场合得到广泛的应用。 尽管数字控制可以简化控制器设计，它也给控制环路中引入了延迟环节。在电力电 子装罨的控制中，d s p 需要时间完成采样、计算和更新数字和模拟输出寄存器。理想的 时间延迟在频域中的表达式为 h 女螂( j ) = 8 ”( 1 一i ) 其中t 是延迟时问。这个传函在整个频段的幅值增益为1 ，但随频率的升高，相位 滞后线性增加，这减小了系统的稳定裕度”】。 由于各种原因的影响，逆变器数字控制的时间延迟并不一定是常数。为便于分析， 考虑最简单的情况，d s p 的a d 采样、占空比计算和p w m 寄存器的更新在一个开关周 期内完成，这时数字控制的时间延迟可以近似为一个开关周期。 若逆变器的开关频率为1 0 k f i z ，在5 0 h z 系统中，选择逆变器的谐振频率为1 5 0 h z x1 0bo曲a，-m 蔓 5 0 s 田vi，l”l 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 倍基波频率) 在4 0 0 h z 系统中，选择逆变器的谐振频率为1 2 k h z 则一个开关周期 的时间延迟在谐振频率处的相位滞后如图1 2 所示 由此可见，同样个开关周期的时间延迟在4 0 0 h z 逆变器谐振频率处的相位滞后比 5 0 h z 逆变器的相位滞后大得多。由于逆变器空载时的阻尼非常小，在谐振频率附近有 显著的谐振峰，相角从0 。剧烈变化到接近一t 8 0 。，若再加上时间延迟在谐振频率处引起 的相位滞后，4 0 0 h z 逆变器系统极有可能变得不稳定，需要采取有效的措施对频率特性 进行校正。 在4 0 0 h z 系统中，由于基波频率的提高，需要提高输出滤波器的谐振频率来减小无 源器件的体积。但输出滤波器的谐振频率的增加要求相应地增加控制带宽，使控制带宽 大于输出滤波器的谐振频率，否则系统会由于数字延迟带来的相位滞后不能获得足够的 稳定裕度，变得不稳定。 最后，越高的基波频率表明其谐波频率也越高，传统的谐波补偿措施对其没有什么 效果，因为在这些谐波频率处所需要的环路增益也大大提高了。要把输出畸变抑制在可 以接受的范围内必须采用其他的方法。 1 3 模糊控制概述 随着自动化程度的提高和普及，受控对象日趋复杂，对于许多难以获得数学模型或 模型复杂的过程，应用经典和现代控制理论往往不能取得令人满意的控制效果，甚至完 全无能为力：可是在手动控制中，熟练的操作人员却可以驾驭自如。由此人们很自然地 产生了在自动控制技术中借鉴熟练人员经验的想法。计算机控制技术的发展为实现这一 愿望提供了可能，计算机在逻辑推理、判断、识别、决策、学习等方面的功能可以承担 按照熟练操作人员和专家的经验进行控制的方法。人工智能提供了各种仿照人的知识、 思维进行控制的方法，如专家控制、神经控制、模糊控制等等，统称为智能控制。 智能控制是自动控制学科发展里程中一个崭新的阶段。与传统的经典、现代控制方 法相比，智能控制具有一系列的特点。首先，智能控制突破了传统控制理论中必须基于 数学模型的框架，它按实际效果进行控制，不依赖于或不完全依赖于控制对象的数学模 型。其次，它继承了人脑思维的非线性，智能控制器也往往具有非线性特性；同时，它 还可以利用计算机控制的便利，根据当前状态切换控制器的结构，用变结构的方法改善 系统的性能。此外，某些智能控制方法还具有在线辨识、决策或总体自寻优的能力。在 复杂的系统中，智能控制还具有分层信息处理和决策的功能。智能控制方法的这些独到 之处，使它以一个崭新的面貌区别于各种传统的控制方法与理论，是继经典控制和现代 控制之后的第三代自动控制技术 8 。9 j 。 模糊控制是一种典型的智能控制方法，它利用模糊集合来刻划人们日常所使用概念 中的模糊性，从而使控制器能更逼真地模仿熟练操作人员和专家的控制经验与方法。从 华中科技大学硕士学位论文 控制器的内部来看，模糊控制器是一种语言型控制器，它把物理量的大小用符号语言来 表示，用模糊逻辑实现输入与输出符号间的推理。模糊控制器由模糊化、模糊推理和解 模糊三部分组成。模糊推理是控制器的核心，由一组i f t h e n 所表达的控制规则组成， 这组规则集中体现了熟练操作人员和专家的控制经验【l o j 【”j 。 模糊控制技术的最大特点是适宜于在各个领域中获得广泛的应用。最早取得应用成 果的是1 9 7 4 年英国伦敦大学教授e h m a m d a n i ，首先利用模糊控制语句组的模糊控制 器，应用于锅炉和汽轮机的运行控制，在实验室中获得成功。它不仅把模糊理论首先应 用于控制，并且充分展示了模糊控制技术的应用前景。1 9 7 5 年英国的e j k i n g 和 e h m a m d a n i 将模糊控制系统应用于工业反应过程的温度控制中；1 9 7 6 年荷兰学者 w j m k i c k e r t 和h r v a nn a u t a 将模糊控制器应用于热水装置中：1 9 7 7 年丹麦学者 j j s t e r g a a d 利用模糊控制器对2 输入一2 输出的热变换过程进行控制；同时，英国学者 r m t o n g 于1 9 7 6 年用模糊控制对压力容器内部的压力和液面进行控制，以及他随后发 表的多篇文章，对模糊控制应用和发展起到了积极的推动作用。他们的研究成果解决了 过程控制中非线性、强耦合、时变和时滞特性等难题，达到了最佳p i 控制效果；1 9 7 7 年英国的c p p a p p i s 和e h m a m d a n i 对十字路口的交通枢纽指挥采用模糊控制，试验结 果使车辆平均等待时间减少7 。1 9 7 9 年英国i j p r o c y k 和e h m a m d a n i 研究了一种自 组织的模糊控制器，它在控制过程中不断修改和调整控制规则，使控制系统的性能不断 完善。自组织模糊控制器问世，标志着模糊控制器“智能化”程度进一步向高级阶段发 展，毫无疑问地证实了它归属于“智能控制器”范畴。1 9 8 0 年，丹麦f l s m i d t h 公司 研制的模糊逻辑计算机协调控制系统最早被应用于水泥窑生产过程控制，并且和1 9 8 2 年研制成功的n o 分析器配套使用，使水泥生产过程自动化在采用模糊控制后获得了满 意的控制性能和强鲁棒性，这是采用经典控制和现代控制理论所难以达到的。1 9 8 2 年， 开本大阪水泥窑生产自动化也成功地应用了模糊控制。1 9 8 3 年日本学者m s u g e n o 和 k m u r a k a n i 将一种基于语言真值推理的模糊逻辑控制器，应用于汽车速度自动控制，并 取得成功。此后，模糊控制在化工、机械、冶金、工业炉窑、水处理、食品生产等多个 领域中得到实用。模糊控制充分显示了在大规模系统、多目标系统、非线性系统以及无 适当传感器可检测的系统中的良好应用【1 3 - j 。 电力电子系统一方面具有较为确定的数学模型，另一方面又具有非线性和参数变化 的特点。在传统电力电子系统中使用的p i d 控制对线性系统具有良好的控制效果，但对 逆变器这样线性与非线性结合的系统控制效果有限。无差拍控制依赖于被控对象的精确 数学模型，系统参数稍有变化，对系统性能有较大影响。重复控制是目前逆变器中使用 较多的控制策略，其稳态精度高、输出电压畸变小是其优点，但是当系统受到扰动时， 由于控制量要在一个基波周期以后才起作用，动态性能很差。为改善逆变器的动态性能， 可以将模糊控制和重复控制结合起来。模糊控制的最大优点是不依赖于被控对象的精确 数学模型，本质上是一种非线性控制，对调节对象的参数变化不敏感，更有效地克服电 华中科技大学硕士学位论文 力电子系统中各种非线性因素的影响【1 8 l 。模糊控制已用于直流调速系统、交流电机变频 调速系统和机器人伺服系统，并取得了令人满意的效果。 当然作为一项正在发展的技术，模糊控制也有一些问题需要去研究解决【l 9 】 ( 1 ) 模糊控制在非线性复杂系统应用中的模糊建模、模糊规则的建立和模糊推理算法 的深入研究。 ( 2 ) f l q 于模糊控制本质上还是非线性控制，复杂模糊规则的相互作用，使得到的合成 推理算法具有相当程度的非线性性能、致使模糊控制效果不够理想，特别是控制逆变器 的输出正弦电压时，稳态时的谐波较大。 ( 3 ) 模糊控制系统的稳定性理论探讨。 ( 4 ) 自学习模糊控制策略和智能化系统结构及其实现。 ( 5 ) 简单、实用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制装置、通用模糊控制 系统的开发和推广应用。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要包括了下主要内容： ( 1 ) 建立了单相电压型p w m 逆交器的数学模型，分析了输出电压波形畸变的原因， 给出了一个平衡三相p w m 逆变器经坐标变换后等效转化为两个独立的单相p w m 逆变 器的推导过程，表明用于单相逆变器的控制方案亦可用于三相逆变器。 ( 2 ) 在介绍重复控制理论、系统结构和性能指标的基础上，将重复逆控制器应用于单 相4 0 0 h z 逆变器的波形控制，介绍了该控制方案的基本思路、系统设计和分析方法，给 出了设计实例和仿真结果。 ( 3 ) 为改善系统的动态性能，将模糊控制与重复控制器相结合。介绍了带开关模糊补 偿的重复控制系统的组成和设计，并给出了仿真结果。 ( 4 ) 在一台单相4 0 0 h z 逆变器上实现了带开关模糊补偿的重复控制方案，简单介绍 了软件设计，给出了相应的实验结果。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = ；= = = = = ；= = = ；= = = = = = = = = = = = = = = 一一 2 1 引言 2 电压型p w m 逆变器的分析 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。由于功率 开关器件工作在开关状态，p w m 逆变器是一个线性和非线性的综合系统，只对它进行 数学分析有时是很困难的，而仿真可以简化分析和设计过程，本章建立了p w m 逆变器 的m a t l a b 仿真模型。仿真模型考虑了死区效应和主电路元器件的损耗，是比较精确 的模型，较为逼真地体现了实际情况。 本章还从死区效应、直流偏磁和非线性负载三方面分析了逆变器输出电压畸变的原 因。 最后通过a b c 一筇，a b e 一由坐标变换，给出了将三相p w m 逆变器的控制等效为两 个单相逆变器控制的推导过程。 2 2 单相电压型逆变器的数学模型 单相p w m 逆变器的等效电路如图2 - 1 所示。图中为输出滤波电感，c 为滤波电 容，r 为包括了线路电阻、开关管压降和死区效应等损耗的等效电阻。直流电压源e 通 过功率开关器件在每个开关周期内开通和关断一次，向负载提供交流电。电压v 可以取 三个值：+ e ，0 或一e ，因此v 。是幅值为+ e 或一e 的电压脉冲序列。电流f d 代表负载 电流。 由于逆变器电路中各个功率开关器件都工作在开关状态，因此是一个线性与非线性 e 幽2 1 单相电压型p w m 逆变器的等效电路 一 华中科技大学硕士学位论文 相结合的系统，分析起来有一定困难。若假设直流母线电压源e 的幅值恒定，功率开关 为理想器件，且逆变器输出的基波频率、三c 滤波器的谐振频率与开关频率相比足够低， 则逆变桥可以被简化为一个恒定增益的放大器，从而可以采用状态空间平均法来得到逆 变器的线性化模型。单相电压型p w m 逆变器的状态模型电路如图2 2 所示。 v 图2 2 单相电压型p 啊逆变器的状态模型电路 基于基尔霍夫电压定理和电流定理，可以得到逆变器的小信号模型为 咖 1 1 一d t2 石r 石b 讲，1 1r 言5 iv 一z 叱一z 屯 选择电容电压v 。和电感电流f l 作为状态变量，逆变器的连续时间状态方程为 4 = o 上 c 1 ， 三肚淫 l c 0 c = 【l0 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 逆变器的等效框图如图2 3 所示1 2 0 _ 2 “，从图中可以看出各变量之间的内在联系，这 是个双输入、单输出的二阶线性系统，v 和i 仃作为系统的输入。图中z ( s ) 为负载阻抗， 因为负载的多种多样，即使负载上的电压为纯正弦，负载上的电流可以使是任意波形。 可以把看作是对控制系统的一个扰动输入信号，这样，即使当p 1 】【m 逆变器带的是非线 性负载时，它也仅表现在扰动的非线性上，这样的负载模型具有较强的代表性。 实际的采样过程一般采用零阶保持器，即：以变量在采样时刻的瞬时值作为其在该 采样周期内的采样值。采取“加零阶保持器离散化的方法”，可以由逆变器连续模型 9 肌 汀订 出o k k l i = = = = 工y x ”y 中式 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 3 单相电压型p 删逆变器的等效框图 ( 2 3 ) 一( 2 4 ) 导出以下离散时间状态方程 x ( k + 1 、= g x ( k ) + g u ( k ) y ( k ) = c x ( k ) 式中 z ( t ) = v c ( _ j ) 赴( ) r “( ) = 【v 。( _ 】 ) i o ( t ) r y ( k ) = i c ( 后) g = e 4 7 h = a 一1 f p ”一1 ) b 丁= 为采样周期 js 由于逆变器在空载时的阻尼最小，振荡性最为剧烈，控制难度也最大， 的设计必须基于空载来进行，逆变器空载时的传递函数可表示为 m 卜再彘s 十z 5 印月j 十国” 其蛾= 击为自然粹 = 主压为阻尼比 ( 2 5 ) ( 2 - 7 ) 因此控制器 ( 2 - 8 ) 由于通过理论分析确定阻尼电阻r 非常困难，开关器件的特性并不理想，直流母线 电压不恒定，这样得到的逆变器模型并不精确。由于p 州逆变器是个二阶系统，只需 将实测的频率特性与二阶系统频率特性曲线族做一对比，由此来确定空载二阶模型的自 然频率0 3 。和阻尼比掌，并据此推算出电阻，值。 在理想情况下，单相电压p w m 逆变器的输出波形应是标准正弦波，但由于死区效应、 直流偏磁、以及非线性负载的影响会使逆变器的输出波形发生畸变。 华中科技大学硕士学位论文 2 3p w m 逆变器的仿真模型 随着控制理论的迅速发展，控制的效果要求得越来越高，控制算法越来越复杂，控 制器的设计也越来越困难。特别是对于含有非线性环节的控制系统要达到控制要求，按 传统的设计方法设计起来费时又费力。由于计算技术与计算机的发展，出现了控制系统 的计算机辅助设计。1 9 8 5 年m a t l a b1 0 的推出，对后来的控制系统的理论及计算机 ( a ) 主电路仿真模型 ( b ) 控制器仿真模型 图2 - 4 单相逆变器s i m u li n k 仿真模犁 一 华中科技大学硕士学位论文 辅助设计技术起到了巨大的推动作用，该语言的最初目的是为线性代数等课程提供一种 方便可行的实验手段，原本并不是专门为控制系统设计的，但它提供了强大的矩阵处理 和绘图功能，可信度高，灵活方便，非常适合现代控制理论的计算机辅助设计。m a t l a b 集可靠的数值运算、图像与图形显示及处理、高水平的图形界面设计风格于一身，此外 还提供了与其它高级程序设计语言的接口，使其功能日益强大，成为控制系统人员不可 缺少的有力工具。m a t l a b 环境下的s i m u l i n k 仿真是交互式的，可以很随意地改变模 型的参数并且马上就可以看到改变参数后的结果。通过应用m a t l a b 语言环境下的 s i m u l i n k 建模和仿真，可以超越理想的线性模型去探求更为现实的非线性模型口“。 图2 - 4 为单相逆变器的仿真模型。该仿真模型将单相逆变器分为两个部分：主电路 和控制器。主电路部分使用了p o w e rb l o c k s e t 中的部分电路和负载模型，其中全桥逆变 电路考虑了开关管的开关时间和管压降。控制器的输入为输出电压，输出为带有死区环 节的p w m 输出。以上的仿真模型考虑了p w m 过程和死区效应，是一种精确仿真模型。 该模型中逆变桥输出电压是不连续的，必须将计算步长取得较小，才能获得足够的仿真 精度。但这样又会大大增加仿真时间，为节省仿真时间，在确定系统稳定性时，可以采 用图2 5 所示的平均状态模型，加快仿真过程。 图2 - 5 逆变器的平均状态仿真模型 实际系统仿真的主要参数如下 直流母线电压 额定输出电压 额定输出电压频率 额定输出功率 额定功率因数 开关频率 采样周期 滤波电感 滤波电容 e = 4 4 0 v y “= 2 3 0 vr m s f = 4 0 0 h z p o = 5 5k w c o s 西= o 8 f c 2 1 0 k h z t = 1 0 0 u s l = 5 0 6 u h c = 2 8 8 u f 华中科技大学硕士学位论文 阻尼电阻 死区时间 由于实际系统中带有输出隔离变压器， 原方。 2 4 单相逆变器波形畸变的原因 ，= 0 5 q 幻= 3 5 f l s 实际仿真时将变压器副方的参数均折算到了 2 4 1 死区效应 任何固态的电子开关器件都具有一定的开通和关断时间，对于确定的开关器件，其 通断时间是不可能通过控制消除的，它必然会引起开关器件的状态与其控制信号状态的 偏移。在桥式结构的逆变器系统中，同一桥臂上的两个开关器件工作在互补状态。为防 图2 - 6 单相全桥p w m 逆变器主电路原理图 止器件在通断切换瞬间因关断管不能理想地关断而发生两开关“直通”短路故障【2 3 】，系 统通常采用时间延迟地控制方法，切换时关断信号立即发出，而开通信号滞后关断信号 - d , 段时间，保证先关后开。此时间段内，两开关均关断，形成一段控制死区。在模拟 系统中，控制死区对输出的影响可由模拟调节器自动调节补偿。对现代数字控制系统来 说，由于系统一般均采用较高的开关频率和控制采样频率，死区效应的影响不可忽略。 单相全桥p w m 逆变器的主电路结构如图2 - 6 所示。在死区时间内，同一桥臂的两 个开关管均处于关断状态，输出电流只能通过二极管续流，桥臂的输出电压只与输出电 流的极性有关，而与驱动信号的控制逻辑无关。为简便起见，先以桥臂a 为例进行分析。 在死区时间f 。内，若电感电流i 0 ，则续流二极管d ：导通，将输出电压矿。箝位在负 母线电压一v 。2 ：反之，若电感电流f e ，从而在变压器激磁电流中引起很大的饱和电流， 如图2 1 1 所示。 变压器原边电流由三部分组成，可表示为 1 i p = l d + i ，+ 二屯( 2 - 1 6 ) n 其中，i t 表示负载电流。式2 - 1 6 中第一项表示变压器原边直流电压分量引起的直流 电流，第二项表示激磁电流，第三项表示变压器副方负载电流折算回变压器原边的电流。 华中科技大学硕士学位论文 其中，负载折算电流按正弦规律变化，不含有直流分量：直流电流本身数量很小：激磁 电流正常工作情况下按幅值很小的正弦规律变化，不含有直流分量。一旦变压器饱和则 会出现幅值很高的过电流，从而导致很大直流分量的出现，如图2 - 所示。激磁电流 发生畸变，在逆变器内阻上产生谐波压降，造成输出波形畸变，同时过大的电流会使功 率开关管损坏，必须采取措施加以解决。 憾 奠d o a ，矾广 篁， 了 t 。 刀一 图2 - 1 1 变压器直流偏磁饱和不意图 为解决全桥逆变器中的直流偏磁问题，一般采取了如下措施【2 7 】： ( 1 ) 使用抗偏磁能力强的变压器。变压器铁芯加气隙，增加磁路长度，可以提高变压 器抗直流偏磁的能力。 ( 2 ) 在变压器原方串接一个隔直电容，使变压器原方电压波形无直流分量。 ( 3 ) 减小控制电路的脉宽失真和驱动延时，选择特性一致的功率开关管。 ( 4 ) 逆变器采用软启动和软关机技术，使变压器剩磁很小，防止开机时产生瞬态饱 和。 以上措施，只能减弱直流偏磁产生的危害而不能从根本上消除直流偏磁。本文中， 采样输出变压器原方电流用于反馈，通过数字p i 控制器得到的输出量可用于对s p w m 驱动脉宽进行修正，以减小原方电流中的直流分量，把变压器的直流偏磁限定在较小的 范围之内。 如图2 - 1 2 所示，变压器原方电流的直流分量将以最小误差收敛到零，并满足一定 的快速性要求。采用的p i算法为增量式p i算法 u ( k ) = u ( k 1 ) + ( k ，+ 足，) ，。( 七) 一k 。，。( 七一i ) ，实现起来简单，可靠性高，经实验取得了 一定的效果。 华中科技大学硕士学位论文 电压指 输出电压瞬时采样值 图2 i 2 抗直流偏磁p i 控制器 2 4 3 非线性负载 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。非线性负载由于含 有二极管、可控硅等开关器件，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，导致输出电 压畸变。逆变器所带的非线性负载主要是带滤波电容的整流负载，如各种开关电源，电 压型变频器等，其电源输入端结构如图2 1 3 所示。 人 n 么 么j 、oc 2 兰 么 i lz ： 图2 一1 3 带滤波电容的二极管单相桥式整流电路 由于二极管是单向导电的，只有当逆变器输出电压瞬时值高于电容c 的瞬时电压和 二极管的导通压降之和时，逆变器才有输出电流。当所有二极管截止时，负载为高阻状 态：当二极管导通时，负载为低阻状态。随着二极管的周期通断，逆变器的输出电流为 周期性的尖顶脉冲。这种尖顶脉冲含有大量的低次谐波，从而在逆变器的输出端造成很 大的谐波压降，输出电压波形产生很大畸变。 图2 - 1 4 为逆变器带整流负载的仿真波形，l = i 2 m h ，c ，= 2 2 0 0 “r ，r = 2 0 q 华中科技大学硕士学位论文 ( s ) 图2 一1 4 带整流负载仿真波形 抑制非线性负载的扰动一种做法是在逆变器输出端增加合适谐振频率的c 谐振支 路，不过对于大容量电源产品，会大大增加体积、重量和成本。另一种做法是通过提高 开关频率，减小输出滤波电感，降低逆变器输出阻抗。但是提高开关频率受到开关器件 的限制，并且开关频率越高，开关器件的开关损耗越大，温升、效率等方面在中、大功 率场合难以解决【2 8 1 。 除此以外，从控制的角度出发，通过引入输出电压反馈控制，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，从而抗御非线性负载扰动、抑制谐波，是更合理的 解决方案。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。 2 5 三相p w m 逆变器的坐标变换 图2 一1 5 三相p w m 逆变器电路结构 华中科技大学硕士学位论文 在大功率场合，p w m 逆变器常常采用三相结构。图2 1 5 给出了一台三相p w m 逆 变器的典型结构。假定三相平衡，图中三相滤波电感均为l ，而三相滤波电容均为c ， 等效阻尼电阻也都为r 。采用与前述单相逆变器类似的变量符号，即：以b ，u 8 c ，u c a 代表逆变桥输出的三相线电压：厶，岛，i c 代表负载汲取的三相线电流：日，c ，p c a 代表三个滤波电容( 接法) 上的电压，也就是滤波器输出的三相线电压：“b ，f c 代表三个滤波电感中的电流，也就是逆变桥输出的三相线电流。 对滤波电容构成的三角形的三个顶点列写基尔霍夫电流定律，对逆变桥任两个输出