（电路与系统专业论文）柔性逆变器控制策略研究及其matlabbimulink仿真实现.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o no fc l a s s2 1 9 l la u n i v e r s 时c o d e ：l0 2 6 9 r e g i s t e r e dn u i n b e r ：5l0 7 12 0 2 0 4 5 e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y t h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h en e x i b l ei n v e r t e ra n di t s s i m u l a t i o nb a s e do nm a t l a b s i m u l i n k d e p a r t m e n t：i 坠鱼蛩旦! 堑i q 堕s 曼i 星坠鱼曼鱼壁q h 塾q ! q g y 旦星卫! m a j o r s p e c i a u 够 s u p e r 、，i s o r ：g i 丝坠i 墨i 塑鱼s y 曼! 曼堡 ：墨i g 堕垒! 垒堕鱼i 堕1 o 墅丛i q 堕p ! ! q 鱼星曼曼i 望g s t u d e n tn a m e ：h 垒i y 坌堕i m a y ，2 0 1 0 华东师范大学学位论文原创性声明 麓熬瀚黼融删鼬：溅蚓献科牵巨缒骁艟荆桫臌删编、i ：眯觥华东师范大学攻读壤 博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明并表 示谢意。 学攻 作者签名：慨整 日期：知f o 年月8 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 研究成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用 此学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网 送交学 位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查 阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进 行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理 复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密 学位论文 木， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不 导师签名本人签名匿丕堑 为f d 年6 月g 日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定 过的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方 为有效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权) 。 避硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 李明教授华东师范大学主席 薛燕陵教授华东师范大学 劳五一副教授华东师范大学 论文摘要 可再生能源的开发与利用越来越受到全世界的关注，太阳能、风能、生物能 发电等可再生绿色能源应用的关键技术是逆变技术；另外，随着信息技术的发展， 逆变电源越来越广泛地应用于电力系统、工业、交通、银行、军事、航空、国防 等领域，这些用电设备对逆变电源品质的要求越来越高，而逆变器是逆变电源的 核心，逆变效果的好坏直接决定了输出电压质量。故对逆变器控制算法的研究具 有非常重要的意义。 由于逆变器的干扰因素很多，如负载扰动和非线性负载的影响，逆变器桥臂 死区效应，直流电压的波动等，从而使输出电压存在谐波污染高、负载适应能力 差、失真严重、动态响应速度慢、稳态精度低等问题。现在常用的一些逆变器控 制算法在解决这些问题时都存在着各自的优点与不足，特别是很难同时具备较快 的动态响应速度和较高的稳态精度。本文所研究的逆变器控制算法很好的解决了 以上的问题。 本文主要讨论单相全桥式逆变器的电路模型和数学模型，并从理论上分析、 讨论影响逆变输出电压的各种影响因素。在此基础上，重点研究数字p i d 控制与 重复控制相结合的复合控制算法。 本文的最后，在t l a b s i m u l i n k 环境下对重点研究的数字p i d 控制与重复 控制相结合的复合控制算法进行了仿真分析，给出了仿真模型和仿真结果。通过 仿真比较了电压反馈p i d 控制算法，电压外环、电感电流内环p i d 双闭环控制算 法，电压外环、电容电流内环p i d 双闭环控制算法，电压外环、电容电流内环 p i d 双闭环控制与重复控制相结合的复合控制算法的四种控制算法的效果。仿真 结果验证了电压外环电容电流内环p i d 双闭环控制与重复控制相结合的复合控 制算法具有较好的控制效果，系统输出电压失真度低，抗干扰能力和负载适应能 力强，动态响应速度快，稳态精度高。 关键词：仿真逆变器p i d 重复控制复合控制 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n du s i n go fm er e n e wa _ b l ee n e 玛yi si n c r e 鹤i i l 酉yc o n c e n l e d b yp e o p l ea 1 1o v e rt l l ew o d d ，m v c n e rt ec _ l l i l o l o g ) ri sk e yt ol l s et h er e n e w a b l e 孕e 饥 e 1 1 e r g y 鲫c h 弱n l es o l a re i l 盯j 戮t l l ew i n d 饥c r 戮t h eb i o l o 西c a le i l 唱y ，w h a t sm o r e ， i i l v e r t e ri st l l ec o r eo fi i e r t e rp o w e rs u p p l yw h i c hi sw i d e l yu s e di i le l e c t r i c a lp o w e r s v s t a n ，i n d u s 的；仃a i l s p o r t a t i o n ，b a n k ，m i l i t a r y ，a v i a t i o n ，n a t i o n a ld e f 色n s ea n ds oo n t h e r e f o r et l l er e s e a 耐lo fi n v e r t e rc o n 钉o la l g o r i t h mh a st h ev e r yv i t a ls i 星皿i f i c a n c e t h e r e 缸cm a n yi n t e r f e r e n c ef a c t o r st 0t l l ei n v e r t e r s u c ha sl o a dp e i t u f b a t i o i l so r n o i l l i n e a r1 0 a d s ，m eb r i d 星r ed e a d - b 觚dc o n t r 0 1 ，t h en u 删i o no fm ed cv o l t a g ea n d s oo nt h e r e f o r em eh 锄0 1 1 i cp o l l u t i o no fo u 印u tv o l t a g ei sm g l l m el o a d a d 印t a b i l i 锣i sl o w ，也ed i s t o r t i o no fm eo u t p u tv o l t a g ei ss e r i o u s ，m es t a t i o n a 巧 口r e c i s i o ni s1 0 w e a c ha l g o r i 慨c o n u n o nu s e d1 1 0 wh a si t sa d v a i l t a g ea n d d i s a d v 锄t a g e s ，s p e c i a l l y ，i t sd i 瓶c u l tt oh a v ef 瓠td y l l 锄i cr e s p o n s es p e e da i l dl l i 曲 s t a n o n a r ya c 伽r a c y t h ec o n 仃o la l g o 打t h ms t u d i e di nt h i sa r t i c l ec a n d 0i tw e u t h es i n d e p h a s ee n t i r e - b r i d g ei n v e r t e r t se l e c t r i cc i r c l l i tm o d e la 1 1 dn l e m a t h e m a t i c a lm o d e l i se s t a b l i s h e di nt h i sa r t i c l e ，t h eo u 砸u tv o l t a g ei i l n u e n c i i l gf a c t o r i sd i s c u s s e d ，t l l e i lak i n do fc o m p o u i l dc o 肭la l g o r i t h mi ss m d i e dw l l i c hc o m b i n et h e d i 舀t a lp i dc o 劬la i l dm er 印e t i t i v ec o n 仃0 1 t h ea l g o r i 岫h a sm a l l ya d v a n t a g e s s u c h 嬲t h eo u t p u tv o l t a g ed i s t o r t i o ni ss m a l l ，m ea n t q a m m i n ga b i l i t yi ss t l 0 n 岛t 1 1 e d ) r i l 锄i cr e s p o i l s ei sq u i c k ，t 1 1 es t a t i o n a r ) rp r e c i s i o ni s1 1 i 曲，m es y s t e ms t a b i l i t y 孤d r e l i a b i l i t yi ss u p 嘶o r t h ea l g o d i ss i m u l a t e da l l da i l a l y z e do nm a t l a b s i m u l i n k a tl a l s t 血e s i m u l a t i o nr e s l l l ti s 西v e nt 0c o n f i 姗t 1 1 ec o n t r o la l g o r i t h m ss u p 丽o d 哆靠o mt l l e m e o 巧a n dt l l es i m u l a t i o na 1 1 哲e f o u rc o n 缸o la l g o r i t h m sa r ec o m p a r e d ：t l l ev o l 协g e p i df e e d b a c kc o n t r o la l g o r i t ，m ev o l t a g ea i l di i l d u c t i v ec u r r e n td o u b l ec l o s e dl o o p p i df i e e d b a c kc o 曲o la l g o r i t h m ，m ev o l t a g ea 1 1 dc a p a c i t i v ec u 饿舡td o u b l ec l o s c dl o o p p i df e e d b a c kc o n t r o la l g o n t h m ，m e 唧o u n dc o n 仃0 la l g o r i t l l i i lc o m b i i l i n gn l e v o l t a g ea i l dc 印a c i t i v ec 1 盯e i 】td o u b l ec l o s e dl o o pp i df i e e d b a c kc o n 昀1w 池m e r e p e t i t i v ec o i l 仃0 la l g o r i t l l m s i m u l a t i o n sv a l i d a t em e r e s u l tt h a tt h ec o m p o u r l dc 0 m r o l a l g o r i 伽：i lh a u sm a l l ya d v a i l t a g e ss u c h 嬲m eo u t p u tv o l t a g ed i s t o n i o ni ss m a l l ，m e 心- j 锄m i i l ga b i l 时弛dl o a da d a p t i v 即e s si ss 仃o n 吕t 1 1 ed y l l 锄1 cr e s p o n s el sq m c k ，t t l e s t a t i o n a 巧p r e c i s i o ni sm g l l ，t h es y s t e ms t a b i l i t ) ra n dr e l i a b i l i t ) ri ss u p 耐o r k e yw b r d ： s i m u l a t i o ni n v e r t e rp i d r e p e t i t i v e c o n t r o l c o m p o u n dc o n t r o l 目录 论文摘要v a b s t r a c t 、，i 第一章：引言。l 1 1 逆变器应用现状l 1 2逆变器控制现状l 1 2 1 常规逆变控制技术( n o 锄a lc o n 仃0 1 ) l 1 2 2 无差拍控制( d e a d b 衄tc o n 仃0 1 ) 2 1 2 3 重复控制( 脚e t i t i v ec 0 n 咖1 ) 3 1 2 4 滑模变结构控制法( s l i d i n g m o d ev a r i a b l es 咖t u r cc o n 仃0 1 ) 4 1 2 5 模糊控制( f u z z ) ，c o n 昀1 ) 、神经网络( n 即r a ln e 铆o r k ) 和专家系统( e x p e f t s y s t 锄) 厶。6 1 3 本文研究内容6 第二章：逆变器控制模型的建立8 2 1 逆变器的电路模裂8 。2 2 单相全桥式逆变电路的连续空间模型9 2 3i g b t 的控制信号s p w m 等效模型1 2 2 4 本章小结1 2 第三章逆变器的控制策略和控制算法。1 3 3 1 单相电压型全桥逆变器的s p w m 调压方法1 3 3 1 1 p w m ( 脉宽调制) 调制方法1 3 3 1 2 双极性s p w m 调压方法1 6 3 1 3 单极性s p w m 调压方法1 7 3 1 4 、倍频s p w m 调压方法。1 8 3 1 5 死区时间的影响及死区补偿方法2 0 3 2 数字p i d 的基本原理2 2 3 2 1p i d 控制算法概述2 2 3 2 2 基于数字p i d 的电压电流双环控制2 4 3 3 重复控制的基本原理。2 7 3 3 1 重复控制器的内模原理2 7 3 3 2 重复控制系统结构3 l 3 4 复合控制3 3 3 5 本章小结3 4 第四章：控制策略实现的软件基础3 5 4 1m a t l a b s i m u l i i l l ( 概述3 5 4 2 本设计中主要用到的m a t l a b 功能3 5 4 2 1s i m p o w e r s y s t e m 模型一3 5 4 2 2 s 函数3 6 4 2 3m a t l a b s i m u l i i l l 【的移植性3 6 4 3 本章小结3 7 第五章： 仿真实验结果及其分析一3 9 5 1 单独采用电压p i d 反馈控制时的m a t l a b s i i i l u l i i l l 【仿真3 9 5 1 1 单独采用电压p i d 反馈控制时m a t l a b 仿真环境及仿真数据的选取3 9 5 1 2 单独采用电压p i d 反馈控制的仿真模型与仿真结果4 0 5 2 采用电压外环电感电流内环双闭环p i d 反馈控制时的m a t l a b s i m u l i l l l 【仿真一4 1 5 2 1 采用外环电压内环电感电流双闭环p i d 反馈控制时m a t l a b 仿真环境及仿真数 据的选取4 2 5 2 2 采用电压外环电感电流内环的双闭环p d 反馈控制的仿真模型和仿真结果4 2 5 3 采用电压外环电容电流内环双闭环p i d 反馈控制时的m a t l a b s i m u l i n k 仿真4 4 5 3 1 采用外环电压内环电容电流双闭环p i d 反馈控制时m a t l a b 仿真环境及仿真数 据的选取4 4 5 3 2 采用电压外环电容电流内环的双闭环p d 反馈控制的仿真模型和仿真结果4 5 5 4 采用电压外环电容电流内环双闭环p i d 反馈控制与重复控制相结合的复合控制的 m a t l a b s i i i l u l i i l k 仿真4 7 5 4 1 采用外环电压内环电容电流双闭环p i d 反馈控制与重复控制相结合的复合控 制方法的m a t l a b 仿真环境及仿真数据的选取4 7 5 4 2 采用电压外环电容电流内环的双闭环p i d 反馈控制与重复控制相结合的复合 控制方法的仿真模型和仿真结果4 8 5 5 本章总结5 l 第六章：结论与展望5 2 6 1 结论5 2 6 2 进一步工作的方向5 3 致谢5 4 参考文献5 5 第一章：引言 1 1 逆变器应用现状 可再生能源的开发与利用越来越受到人们的关注，迫切需要在一些地区积极 推广太阳能、生物能、风能发电等可再生绿色能源技术，对这些可再生绿色能源 利用的关键技术是逆变技术。另外，随着信息技术的发展，逆变电源越来越广泛 地应用于电力系统、工业、交通、银行、军事、航空、国防等领域，这些用电设 备对逆变电源品质的要求越来越高，而逆变器是逆变电源的核心，逆变器的控制 是逆变电源的关键。因此对逆变器输出波形的质量提出了越来越高的要求。 综上所述，研究高动态响应，高稳态精度，高负载适应能力的s p l | m 电压型 逆变器主电路及其谐波抑制技术，并推动我国节能供电、高质量供电、高性能供 电技术、新能源的利用以及改善配电网电能质量等方面的发展，具有十分重要的 理论意义和实用价值l i j 。 而采用传统的开环控制来获得p 1 】i m 正弦输出电压的技术往往难以达到令人 满意的非线性带载和抗负载扰动的能力，谐波畸变率较大。高速数字信号处理芯 片( d s p ) 的出现，使得数字化的高精度复杂控制在逆变器控制领域中的应用有了 可能性1 2 j 。因此，各种复杂的高精度逆变器控制算法应运而生，总之，有了高速 数字信号处理芯片的支持，采用先进的高精度的复杂控制方法和控制策略成为可 能，从而使得控制算法的精度和可靠性大幅度提高，使控制更加灵活方便。 1 2逆变器控制现状 1 2 1 常规逆变控制技术( n o r m a lc o n t r o i ) 初期逆变电路的控制主要用反馈来修正系统行为，使它达到预期的目标。它 的系统是常系数线性系统，对象和扰动能用数学模型表示，基本控制包括稳定和 跟踪两大类。最简单的控制策略是方波逆变电路p w m 控制，方波控制电路用输出 的基波频率来控制开关的导通关断，输出电压波形为方波，与负载的性质无关， 其频率可以通过改变驱动信号频率来调节，但电压的幅值和形状均不可调节，经 过滤波后输出近似的正弦基波，要对方波逆变电路的输出电压进行调节，只能通 过改变直流母线电压或者通过移相进行调压。方波逆变控制结构简单、电压利用 率高，但其缺点是输出谐波含量高、输出电压不可调。 正弦脉宽调制( s p l j l m ) 法是用脉冲宽度按正弦规律变化的，和正弦波等效的 p w m 波形也叫s p l j i m 波形，来控制逆变电路中开关器件的通断，若采用标准正弦 波作为p w m 调制波，则为正弦脉冲编码调制。在逆变电路中应用正弦脉宽调制 ( s p w m ) 控制技术可以大大降低逆变电路输出谐波含量。这样很容易就可以滤掉 大部分谐波，使输出波形接近正弦波。s p l 】l m 典型控制方法分为电流反馈控制和 电压反馈控制1 4 j 。 经典的电流反馈控制是电流滞环跟踪控制，其控制电路的任务是控制开关器 件交替导通以使得电感电流跟踪给定电流。电压反馈控制是采用输出电压瞬时值 反馈控制策略，输出电压与给定电压比较产生的误差信号经调节器后，其输出信 号用以调节正弦调制信号的幅值，这样输出电压的幅值可连续调节并保证一定的 静差以实现输出电压波形控制。 1 2 2 无差拍控制( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) 无差拍控制理论是卡尔曼等人最先提出的，g o k h a l e 将该理论应用于逆变 控制上。它根据逆变电源系统的状态方程和输出反馈信号来计算逆变器的下一个 采样周期的脉冲宽度。 。 无差拍控制暂态响应快，当负载突变时，只要几个开关周期就可以完成对输 出电压的调整，输出能够很好地跟踪给定值；波形的畸变率小，即使开关频率不 是很高，无差拍控制也能够得到较好的输出波形；无差拍控制能够使得输出电压 的相位与负载关系不大，它通过调节逆变器的输出相位来补偿l c 滤波器的相位 延时。但是，无差拍控制也有十分明显的缺点：当负载变化，或者温度、运行条 件等出现参数波动时，很容易造成系统的不稳定或者输出性能恶化，瞬态超调量 较大【5 】。 2 1 2 3 重复控制( r e p e t i 小ec o n t r 0 1 ) 重复控制( r e p e t i t i v ec o n t r 0 1 ) 是在2 0 世纪8 0 年代提出的一种控制系统 设计理论，最初应用于机械运动领域，但近年来其在逆变器中应用的受到更多的 关注，因为在逆变器中，因非线性负载、桥臂死区效应等众多因素引起的干扰一 般都为高频且具有周期性，最终这种性质的干扰将导致输出波形的失真且具有重 复性，所以利用重复性控制的特殊性质，能大大消除输出波形的谐波。控制理论 中的内模原理是它的基本思想来源1 6 1 ，该原理指出，如果要求一个反馈控制系统 具有良好的跟踪指令和抵消扰动影响的能力，则反馈控制环路内部要包含一个描 述外部输入信号动力学特性的数学模型。据此原理可以将系统需要跟踪的任意周 期性参考信号植入控制器内部，从而构成高精度反馈控制，实现对参考信号的高 品质稳态跟踪。 在重复控制中，我们假定本周期出现的基波波形的畸变将在下一周期的同一 时间重复出现，控制系统将按照本周期的给定基准信号和扰动信号来确定稳定输 出电压所需要的补偿信号，并在下一基波周期的同一时间将补偿信号叠加在原控 制信号上，以消除以后各基波周期中出现的重复畸变，重复控制通常是以数字化 方式实现的，其离散化模型为： 1 瓯( z ) = 南 l 一厶 重复控制器的方框图如图卜1 所示： 兮咽 f亡 l 1 内模 图l l 重复控制内模原理的方框图 3 图中z 。n 为单位周期延迟，他的作用是对控制器进行相位补偿，n 表示每个 基波周期里对输出电压的采样次数；q ( z ) 与z 州组成内膜，它既有z 州的相位 补偿作用，又能增强系统的鲁棒性，使内模成为一个准积分环节，p ( z ) 为受控逆 变系统；e ( k ) 是误差信号。重复控制可以消除周期性干扰所产生的稳态误差， 但是，由于重复控制延时一个工频周期的控制特点，使得单独使用重复控制的逆 变器动态特性差，无法满足逆变器的指标要求。 重复控制算法如果能与其他的p w m 控制算法结合使用，可以消除输出波形周 期性的畸变。重复控制能提供良好的静态特性，但却不能提供良好的动态特性【8 】。 1 2 4 滑模变结构控制法( s i i d i n g m o d ev a r i a b l es t r u c t u r e c o n t r 0 1 ) 滑模变结构控制是变结构控制系统( v s s ) 的一种控制策略。该控制策略有 不连续性的特点，即它的系统结构随时间的变化的做开关切换。由于逆变电路内 在的开关切换，使其适合于滑模控制。该控制特性可以迫使系统在一定条件下沿 规定的状态轨迹做小幅度、高频率的上下运动，即滑模运动。滑模控制的最大优 势是对参数变动和外部扰动不敏感，这样使逆变电路性能大大提高1 3 l 。 离散滑模控制能使逆变电路输出波形瞬态响应较好而稳态性能却不够理想。 于是前馈控制策略被引入，如图卜2 ( a ) 所示，它可以改善系统稳态性能和稳 态精度。但是当出现过载时，系统的参数会出现不正常的变化，滑模控制的负担 将会非常严重。于是又提出了自矫正滑模控制策略，如图卜2 ( b ) 所示：逆变 电路控制器由线性前馈控制器和滑模控制器构成，并且参数可由自适应调整机构 调整。稳态作用由前馈控制器完成，滑模控制在负载变化时发挥作用。滑模控制 具有对参数变动和外部扰动不敏感的优点，但稳态性能不好，切换面难于选取。 但逆变电路内在的开关切换性质使得滑模控制在逆变电路的应用有广泛前景。尤 其与其他智能控制相结合形成复合控制策略，那更是有意义的探索。 4 ( b )自矫正离散滑模控制系统原理图 图l 2 滑膜变结构控制原理图 5 1 2 5 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 、神经网络( n e u r a l n e 铆o r k ) 和专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 模糊控制属于智能控制的范畴，模型的准确性和系统的复杂性总是存在矛 盾，许多控制方法都要求有被控对象的准确模型，而模糊控制因为不需要被控对 象的准确模型而具有很强的鲁棒性和自适应性。逆变电路就是一个很难建立精确 模型的系统：一个非线性、时变、多变量系统。而模糊控制能在准确和简明之间 取得平衡。模糊控制有三个基本组成部分：即模糊化，模糊决策和精确计算。工 作过程如下1 9 j ： ( 1 ) 将信息模糊化 ( 2 ) 经模糊推理规则得到模糊控制输出 ( 3 ) 将模糊指令进行精确化计算，最终输出控制值。 模糊控制中给定一个输入，便可以根据控制规则表得到一个合适的输出，无 需知道输入输出间的数学依存关系，控制算法简单，计算时间少。这种控制主要 依赖模糊规则和模糊变量的隶属度函数，对信息进行简单的模糊化处理会导致被 控系统动态品质变差控和制精度降低，提高系统精度需要增加量化等级，这样会 增加系统的复杂性和推理时间。受到当前技术水平的限制，隶属函数的确定还没 有统一的理论指导，带有较多的人为经验因素，模糊规则和模糊变量数都受到一 定的限制，因此模糊控制的精度有待提高。 模糊逻辑、神经网络和专家系统相辅相成、优势互补，具有强大生命力，模 糊逻辑、神经网络和专家系统正出现融合的趋势。模糊逻辑和专家系统结合，可 充分利用专家系统知识推理机制和知识抽取能力。各种模糊神经网络的拓扑结构 和算法不断涌现，采用神经网络确定隶属函数优化模糊规则和进行模糊推理等研 究已取得一定的成果。可见，未来模糊控制必将成为逆变电源的核心控制技术之 一。此外，一些学者正在研究神经网络控制芯片在逆变电源中的应用，如用神经 网络控制器替代滞环电流控制器等。但由于神经网络的实现技术还没有突破，因 此还没有成功地应用于逆变电源的控制之中。 1 3 本文研究内容 可再生能源的开发与利用越来越受到全世界的关注，太阳能、风能、生物能 6 发电等可再生绿色能源技术的应用势在必行，对这些可再生绿色能源利用的关键 技术是逆变技术；另外，随着信息技术的发展，逆变电源越来越广泛地应用于电 力系统、工业、交通、银行、军事、航空、国防等领域，这些用电设备对逆变电 源品质的要求越来越高，而逆变器是逆变电源的的核心，逆变效果的好坏直接决 定了输出电压质量。因此对逆变器的性能提出了更新、更高的要求，要求逆变器 的负载适应范围宽，抗扰动能力强等。 传统的控制算法各有优缺点，但没有一种控制算法能单独达到理想的控制效 果。常见的p i 控制、无差拍控制、滑模控制、模糊控制都是靠提高系统动态性 能的办法来抑制干扰的，这些控制方法对突加或突减负载引起的扰动具有很好的 抑制效果，但是对于整流性负载引起的周期性扰动，上述方法的抑制效果并不理 想。重复控制器与上述控制器不同，它并不追求很高的动态性能，而是利用扰动 重复出现这一特点，对扰动出现的位置逐点校正，有针对性地修正输出波形，从 而获得很高的稳态性能，但它的动态响应能力较差。 本文致力于逆变器逆变算法的研究，本文将对p i d 控制与重复控制相结合 的复合逆变器控制算法进行研究，优化该算法，使该算法具有输出电压失真度小， 抗干扰能力强，逆变效率高，动态响应快，稳态精度高，系统稳定和可靠性高等 优点。 本文内容安排如下： 第一章介绍逆变器的应用现状与逆变器控制的研究现状，提出本文要研究的 控制算法，p i d 控制与重复控制相结合的复合控制算法，并介绍了该方法的优越 性；第二章建立了逆变器控制的模型；第三章详细阐述了数字p d 控制与重复 控制相结合的复合控制算法；第四章介绍了控制策略实现的软件基础：对算法进 行仿真用到的仿真软件m a t l a b s i m u l i l l l c ，；第五章是实验结果与分析，从理论和 仿真的角度验证了控制方案的正确性和可行性；第六章是结论与展望。 7 第二章：逆变器控制模型的建立 良好的数学模型是开展严密的理论分析和实验研究的出发点和基础。本文在 这里只针对单相p w m 逆变器，也就是本课题所采用的逆变形式，建立它的连续、 离散时间状态空间模型，对u p s 逆变器的输出控制进行理论上的推理、论证。 2 1 逆变器的电路模型 逆变器一般采用桥式逆变电路，属于电压型逆变电源范畴。图2 一l 为典型的 逆变器的p w m 逆变电路图。电路由单相全桥式逆变器、l - c 滤波器和负载组成。 图中2 一l 中的u o 为逆变器的输出，v d c 为直流母线电压，l f 和r f 分别是滤波电感 的电感量和等效阻抗，c f 为滤波电容，。f ：( f ) 为流过电感l ，的电流，乇( t ) 为流 过电阻r 的电流。开关管s l 、s 2 、s 3 、s 4 构成单相全桥逆变器，输出滤波电容 c f 与电感l f 组成了二阶输出滤波器，以滤除逆变输出p 1 】| m 波中的高次谐波。输 出电压u o ( t ) 与输出电流i o ( t ) 经检测电路转换并由采样电路采样后送入微 处理器。微处理器对采样数据进行分析，通过计算产生两组相位相反的s p w m 信 号，四路s p l ) | m 信号经放大后送入逆变器驱动电路，以控制四个功率开关管i g b t 的通断。 为防止上下桥臂直通而损坏开关管，工作时应保证s 1 和s 2 通断互补，s 3 和s 4 通断互补。当s 1 和s 4 同时导通时，s 2 和s 3 截止，通过负载r 的电流方 向由上向下：反之，当s 2 和s 3 同时导通时，s 1 和s 4 截止，通过负载r 的电流 方向由下向上。由此，对于负载来讲，受控于s p l 】l m 波的逆变器输出就是正弦交 流电压。 u i n ( t ) = z ( f ) v 0 屯( f ) = 六( f ) 2 2 单相全桥式逆变电路的连续空间模型 这里选择输出电压u o 和电感电流i l 为状态变量，逆变的状态方程组为【l o 】： 9 = 屯( f ) 一芘( f ) = 一 ) 一r 屯( f ) + u _ ( f ) 将上述方程组变换，得到状态方程的矩阵形式： j 陬 ) 一i l = 吐ko ) - j o 1 厂 l ( 2 1 ) 爵 + 巴 u 么 ，+ ：毒 芘c f ， x = 肛+ b u _ 0 ) + c f o ( f ) y = 砜( f ) = 删 其中： ? r = 乏三；) 彳 b = c = ：毒 。：? 。， 由式( 2 3 ) 经拉普拉斯变换解出u o ( s ) ： ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( s ) = z 了石；歹赫u _ ( s ) 一z 了石歹乇( s ) 一一其中毛( s ) 为负载电流，根据各负载之间的内在联系，逆变器的等效框图如2 2 ： 1 0 半 厂c 警 ， 乙 土0 土0 - 图2 2 逆变器的等效框图 由于负载阻抗的多样性，即便负载上的电压为纯正弦波，负载电流也可能是 任意波形，为使负载模型具有较强的代表性，不依赖于具体的负载类型，同时使 数学模型形式变得简单，可以把负载电流如处理成控制系统的一个扰动输入信 号，当逆变器带非线性负载时，负载的非线性也仅仅表现在扰动的非线性上。 在此情况下，输出电压u 。( s ) 和输入电压u h ( s ) 之间的频域传递函数g ( s ) 为： g ( s ) = 1 去吩s l r 一 一一一工 _ 一+ l r s + rr 去+ g s _ 由于电感内阻r ，很小为简化分析可忽略，当r 厂被忽略时，逆变器系统传递 函数p ( s ) 为【1 2 1 ： 邓，= 器= 一 7 ， 式中国一为输出滤波器谐振角频率，彩疗：1 历， f = 1 ( 2 r q 国一) 为系统阻尼系数。 b r +s g 尺 + 0 一r +s 0g 2 3 i g b t 的控制信号s p w m 等效模型 图2 1 中的s 1 、s 2 、s 3 、s 4 是绝缘栅双极晶体管( i g b t ) ，它是功率m o s f e t 和双极性功率晶体管组合在一起的复合功率器件，它具有通断速度快、输入阻抗 高、驱动电路简单等优点，只需栅极和集电极加上驱动电压时，i g b t 便进入导 通( 或关断) 状态，因此，i g b t 是一种电压控制器件。对i g b t 的控制可以用图 2 3 中的等效模型来实现。 图2 3 “。( s p l 】l m ) 信号等效模型 图2 3 中为调制信号( 控制信号) ，为三角波载波，调制信号经三 角波调制限幅之后作为i b g t 的驱动信号，加到i b g t 的栅极，来控制i g b t 的通 断i g b t 的通断规律可以用开关函数丘( f ) 来表示，输出就是，即s p w m 信号。 关于s p w m 信号的产生方法在3 1 节有详细讲解。 2 4 本章小结 本章给出了单相全桥式逆变器的电路模型，并在电路模型的基础上建立了 逆变器的连续空间模型和i g b t 控制原理的等效模型，这些模型是分析逆变器算 法的基础。 。 1 2 o 7 盼 一u l ， o 陀 第三章逆变器的控制策略和控制算法 3 1单相电压型全桥逆变器的s p w m 调压方法 s p w m 控制技术是在1 9 6 4 年由a s c h o n t u n g 和h s t e 唧1 e r 把通信系统的调 制技术应用到逆变器而产生的。s p l l m 是指按正弦规律变化的等效p 删波。s p 删 控制的原理简单，通用性强，控制和调节性能好，是一种较好的波形改善技术。 p 1 j l m ( 脉宽调制) 技术是通过控制电压的脉冲宽度，将直流电压调制成等幅宽度可 变的系列交流输出电压脉冲，来控制输出电压的有效值，并控制电压谐波的分布 和抑制谐波【l4 1 。p 1 】i m 技术可以有效地抑制谐波、迅速的控制输出电压，动态响应 好，与其它调压方式相比，在输出电压质量和效率方面优势明显，因而得到了越 来越广泛的应用。p 1 | m 波根据产生方法的不同大致可以分为以下几种：矩形波 p 1 】| m 、单极性正弦波p 1 j l m ( s p l j l m ) 、双极性正弦波p w m ( s p l 】i m ) 、倍频s p w m 、空间矢 量p w m 、电流跟踪p w m 等，这些方式各有优缺点，适用的场合各有不同。这一节 主要讨论逆变器的s p l 】l m 调制方法。 3 1 1 p w m ( 脉宽调制) 调制方法 p 1 j l m 技术的理论基础是“冲量等效”原理，即形状不同但冲量( 幅值对时间 的积分) 相同的窄脉冲加之与线性惯性环节时，得到的输出效果相同。简言之， 当形状不同但冲量相等的窄脉冲电压激励信号施加于具有惯性的对象如低通滤 波器时，输出端得到的电压响应基本相同，其差别仅表现在高频成分上。s p l j m 是在p 1 j i m 的基础上，将期望输出的正弦电压波形假想成有一组等宽不等幅的片断 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) 脉冲将它们 依次代替，从而在滤波器输出端得到期望的正弦电压波形。这样的脉冲可以由电 子开关的通断控制实现。理论推导和实际的频谱分析表明：s p l | i m 脉冲电压具有 与理想正弦电压相一致的基波分量，而且最低次谐波的频率可以提高到s 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，当开关频率足 够高时，利用较小的滤波器就能将其中的谐波滤除掉。此外，只需改变s p w m 脉 冲宽度，就可以平滑地调节输出电压的基波幅值。 s p l j l m 法是一种比较成熟的，目前使用最广泛的p w m 法，s p l j l m 是用标准正弦 波与重复的三角波进行比较来产生功率开关管所需的开关脉冲的。对于正弦波逆 变器来说，要求的输出电压为一定频率的正弦电压，这就需要相同频率的正弦控 制信号去同三角波进行比较，这就是所谓的s p l 】i m 技术。图3 1 表明了s p l | l m 原理。 图3 1 中的v c o n 仃o l 为控制信号，它的频率正决定了输出电压的基波频率，z 又 称调制频率，v c o n 仃d l 为调制波，用u 。表示；v 一为幅值为u 硎，频率为以的 三角波，称为载波信号，c 又称载波频率，它决定了逆变器的开关周期，分别 用下式表示： “j = u 册s mm f w s = 2 巧s 盆 一 湾骶aa 八八八ti j 陬 f f j ； l 。 1 j 0 v “、0 蜀 i _ _ 1 _ i ij v ；