（电力电子与电力传动专业论文）逆变器的滑模控制数字化研究.pdf

华南理一l 人学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i n v e r t e ri sm o r ea n d m o r ew i d e l yu s e d t h e np e o p l eh o p et og a i nb e t t e rp e r f o r m a n c eo fi n v e r t e r a n a l o gc o n t r o lw a so f t e na d o p t e di nt r a d i t i o n a li n v e r t e r a 1 t h o u g ha n a l o g c o n t r o lt e c h n o i o g yi sv e r ym a t u r a t i v e ，i th a ss o m es h o r t c o m i n g ss u c ha s c o m p l e xa n db u l k yc o n t r o lc i r c u i t ，b a dc o n s i s t e n c ya n dt h a ti ti sn o t ： c o n v e r t i e n tt od e b u g i na d d i t i o ni ti sn o tf l e x i b l ea n dh a r dt ou p g r a d e t h ep r o d u c t s i nr e c e n ty e a r s ，a p p e a r a n c eo fh i g hp e r f o r m a n c ed s pc o n t r o l l e r m a k ed i g i t a lc o n t r o li n v e r t e rc o m ei n t or e a li t y d i g i t a lc o n t r o ls t r a t e g y w h i c hi su s e di ni n v e r t e rc a r lb r i n gt h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e ：r e d u c i n gt h e n u m b e ro fc o m p o n e n t s ，p r e d i g e s t i n gc o n t r o lc i r c u i t ，s h o r t e n i n gd e s i g nc y c l e g r e a t l y ，h a y i n gg o o dc o n s i s t e n c ya n dt h a ti ti sc o n v e n i e n tt om a i nt h ew h o l e s y s t e ma n du p g r a d et h ep r o d u c t s f u r t h e r m o r e ，s o m em o r ea d v a n c e dc o n t r o l s t r a t e g yc a nb ea d o p t e d t h e r e f o r ei ti si n e v i t a b l et h a td i g i t a lc o n t r o l i n v e r t e ri s d e v e l o p m e n tt r e n d t h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t ： f i r s t ，a n a l y s i n gt h ea c t u a l i t yo fd i g i t a lc o n t r o li n v e r t e r ，in t r o d u c i n g s e v e r a ld i g i t a lc o n t r o ls t r a t e g yo fi n v e r t e r c o r r e s p o n d i n gt ot h ed i g i t a l c o n t r o li n v e r t e r ，s o m ek i n d so fd i g i t a lc o n t r o ls t r a t e g yb e c o m er e s e a r c h h o t s p o t ，s u c ha sd i g i t a lp i dc o n t r o l ，d e a d b e a tc o n t r o l ，r e p e t i t i v ec o n t r o l ， s l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ，f u z z yc o n t r o la n dn nc o n t r 0 1 a d v a n t a g ea n dd is a d v a n t a g eo fe a c hd i g i t a lc o n t r o ls t r a t e g ya r eb o t h a n a l y z e db a s e do nt h e i rp r i n c i p l e s e c o n d l y ，t h i sp a p e re m p h a s i z e sp a r t i c u l a r l yo nt h es 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 ra n db u c k b o o s ti n v e r t e rw h i c hi sb a s e do nd c d cc o n v e r t e r i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a tc i r c u i tp a r a m e t e r sa r et i m ev a r i a b l e d a t aa n di n a c c u r a t e ，d i s c r e t e t i m es l i d i n gm o d ec o n t r o li s a d o p t e db a s e d o nd s p c o m p a r i n gw i t ho t h e rd i g i t a lc o n t r o ls t r a t e g y ，t h em a i np r e d o m i n a n c e o f lt h es l i d i n gm o d ec o n t r o li si t sr o b u s t n e s sw i t h r e s p e c tt ob o t h p o w e r s t a g ep a r a m e t e rv a r i a t i o n sa n de x t e r n a ld i s t u r b a n c e s t h es y s t e m e x h i b i t ss t r o n gr o b u s t h e s s c o m b i n i n gw i t ht h er e s e a r c hr e s u l t sa r o u n dt h e w o r l d ，d i f f e r e n ts l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r sa r ed e s i g n e df o rt h ed i f f e r e n t i i a b s t r a c t i n v e r t e rt o p o l o g y ap e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h et w oc o n t r o 1 e r s i sp r o p o s e d ，t o o t h i r d l y ，t h ec o n t r o l l e rm o d e l ，w h i c hw ed e s i g n e d ，c a nb es i m u l a t e db y s i m u l i n km o d u l ei nm a t l a b b a s e do nd e s i g ns c h e m ea n ds i m u f a t i o n ，t h e b u c k b o o s ti n v e r t e re x p e r i m e n ts y s t e mc a nb eb u il d ，i n c l u d i n ge x p e r i m e n t c i r c u i td e s i g na n dd s pb a s e dc o n t r o ls y s t e md e s i g n e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w s t h a tt h ep r o j e c to fd s pb a s e ds l i d i n gm o d ec o n t r o lw h i c hp r e d i g e s t sc o n t r o l c i r c u i tg r e a t l yi sc o n v e n i e n tt oi m p l e m e n ta n dd e b u g t h ei n v e r t e risr o b u s t w i t h r e s p e c t t ob o t h p o w e r s t a g ep a r a m e t e r v a r i a t i o i i sa n de x t e r n a l d i s t u r b a n c e s g o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c ei sa l s od e r iv e df r o m t h i sc o n t r o l s t r a t e g y a tl a s t ，w es u m m a r i z et h ep r o c e s so f t h i sp a p e ra n dg i v et h er e s u m e o f 矗l i r t h e rw o r k k e y w o r d s ：i n v e r t e r ；d i g i t a lc o n t r o l ：s 1 i d i n gm o d ec o n t r o l ；d s p 1 1 1 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：垂臣日期：2 秒f 年舌月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在- 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：挺臣 导师签名：诮喜畅 日期：2 心年占月o 日 日期：沙哆年6月。日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 逆变器的发展历程及其应用领域 逆变就是把直流电变成交流电的过程，是对电能进行变换和控制的一种基本 形式，完成逆变功能的电路则称为逆变电路，而实现逆变过程的装置叫做逆变设 备或逆变器。由于逆变器是通过半导体功率开关器件( 例如：s c r 、g t o 、i g b t 和功 率m o s f e t 模块等) 的导通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高，但转 换输出的波形却比较差，是含有谐波成分较多的方波，而多数负载要求逆变器输 出的是正弦波，如何利用半导体功率开关器件的导通和关断，使逆变器输出的是 正弦波，这将是逆变技术所要研究的主要内容。 1 1 1 逆变器的发展历程 逆变器的原理早在1 9 3 1 年就在文献中提到过。1 9 4 8 年，美国西屋电气公司用 汞弧整流器制成了3 0 0 0 h z 的感应加热用逆变器。1 9 4 7 年，第一只晶体管诞生，固 态电力电子学随之诞生。1 9 5 6 年，第一只晶闸管问世，这标志着电力电子学的发 展开始进入传统发展时期。在这个时期，逆变器继整流器之后开始发展。首先出 现的是s c r 电压型逆变器。1 9 6 1 年，w m e m u r r a y 与b d b e d f o r d 提出了改进型s c r 强迫换相器，为s c r 逆变器的发展奠定了基础。1 9 6 0 年以后，人们注意到改善逆 变器波形的重要性，并开始进行了研究。1 9 6 2 年，a k e r n i c k 提出了“谐波中和 消除法”，即后来经常用到的“多重叠加法”，这标志着正弦波逆变器的诞生。1 9 6 3 年，f g t u r n b u l l 提出了“消除特定谐波法”，为后来的优化p w m ( 脉宽调制) 技术 奠定了基础，以实现特定的优化目标，如谐波最小，效率最优，转矩脉动最小等。 2 0 世纪7 0 年代后期，可关断晶闸管g t o 、电力晶体管g t r 及其模块相继得到 了应用。8 0 年代以来，电力电子技术与微电子技术结合，产生了各种高频化的全 控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应管m o s f e t 、绝缘门极晶体管i g b t 、静 电感应晶体管s i t 、静电感应晶闸管s i t h 、) l o s 控制晶闸管m c t 以及m o s 晶体管 m g t 等。这就使电力电子技术由传统发展时期进入到高频化时代。这个时期中，具 有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不穷，特别是脉宽调制技术得到了飞速 的发展。 1 9 6 4 年，由a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 提出的将通信系统调制技术应用到逆 华南理工大学硕士学像论文 变技术中的正弦波脉宽调制技术( s ir l l i s o i d a lp w m ，简称s p w m ) ，由于当时开关器 件的速度慢而未得到推广。直到1 9 7 5 年才由b r is t o l 大学的s r b o w e s 等把s p w m 技术正式应用到逆变技术中，使逆变器的性能大大提高，并得到了广泛的应用和 发展，也使正弦波逆变技术的发展达到了一个新的高度。此后，各种不同的p w m 技术相继出现，例如注入三次谐波的p w m 、空间向量调制( s v m ) 、随机p w m 、电流 滞环p w m 等，成为高速器件逆变器的主导控制方式。至此，正弦波逆变技术的发 展已经基本完善。 一般认为，逆变技术的发展可以分成如下两个阶段“1 ： 1 9 5 6 1 9 8 0 年为传统发展阶段。这个阶段的特点是，开关器件以低速器件为主， 逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加法为主，体积重量比较大，逆变效 率低，正弦波逆变器出现并得到了应用。 1 9 8 0 年之后为高频化阶段。这个阶段的主要特点是，开关器件以高速器件为 主，逆变器的开关频率较高，波形改善以p w m 技术为主，体积重量较小，逆变效 率较高，正弦波逆变器的发展日趋完善。 在逆交器中，输出变压器和交流滤波电感的体积重量都比较大。为了减小输 出变压器和交流滤波器的体积质量，提高逆变器的功率密度，高频化是主要发展 方向。例如提高s p w m 逆变器的开关频率，采用交流传动用变频器的内高频环等。 提高s p w m 逆变器的开关频率可以减小交流滤波嚣的体积和重量，内高频环可以减 小变压器的体积和重量。但逆变器的高频化也存在一些问题，如开关损耗增加， 电磁干扰增大。此外，导体的集肤效应与邻近效应，电容的e s r ( 即等效电阻，e s r 值越低越好，它与温度、频率、电容的大小和承受电压有关) 以及磁性元件的寄生 参数等问题都需要解决，其中最主要的就是开关损耗和电磁干扰问题。为了解决 开关损耗的问题，最有效的方法有两个，一是提高开关管的导通和关断速度，二二 是用谐振或准谐振的方式使逆变器开关工作在软开关状态。1 。这就促使人们对谐振 技术的研究。1 9 7 0 年，f s c h w a r z 提出了电流谐振技术；1 9 7 5 年，n 0 s o k a l 提 出了电压谐振技术，这两项技术都是用l c 与开关器件共同组成一个串联或并联谐 振回路，利用回路在一个开关周期中的全谐振使器件工作在零电压转换( 串联谐振) 或零电流转换( 并联谐振) 的软开关工作状态，从而把开关损耗减小到零。这就是 最早的软开关方式，这种方式虽然有效，但它不能按照p w m 方式工作。2 0 世纪8 0 年代初，美国弗吉尼亚电力电子技术中心( v p e c ) 对谐振技术进行了改进，提出了 准谐振变换技术，即把l c 回路在一个开关周期中的全谐振改成为半谐振或部分谐 振，这才使的软开关与p w m 技术的结合成为可能，并在d c d c 变换器中普遍采用。 在此基础上，美国威斯康星( w i s c o n s i n ) 大学的d m d i v a n 教授又提出了伪谐振支 路( p s e u d o r e s o n a n tp o l e ) 软开关技术，受到了电力电子学界的普遍关注。由此 开始，掀起了研究软开关逆变技术的热潮“ 。 2 第一章绪论 p w m 软开关技术就是要将软开关技术引进到p w m 逆变器中，使它既能保持原来 的优点，又能实现软开关工作。为此，必须把l c 与开关器件组成一个谐振网络， 使p w m 逆变器只有在开关转换过程过程中才产生谐振，平时不谐振，以保持p w m 逆变器的特点。 p w m 软开关逆变技术是当今电力电子学领域的研究内容之一，是实现电力电子 技术高频化的最佳途径，也是一项理论性很强的研究工作。它的研究对于逆变器 性能的提高和进一步推广应用，以及对电力电子学的发展都有十分重要的意义， 是当前逆变技术的发展方向之一。但这里必须指出，软开关技术并不是没有损耗 的，它只是把开关器件本身的一部分开关损耗转移到了为实现软开关而附加的谐 振电路中的谐振元件上。 上述p w m 高频软开关逆变技术是为了克服传统逆变器的输出波形较差，具有 较高的d u 毋和d i d t ，以及由此引起的开关应力及电磁干扰较大的缺点。在此背景 f ，针对大功率逆变器开关器件速度低的缺点，d a n a b a e 于1 9 8 1 年提出了多电 平逆变技术，成为当前高压大功率逆变器的一个发展方向。与p w m 高频软开关思 路相反，多电平逆变技术的出发点是通过对主电路结构的改进，使所有逆变开关 都工作在基频或低频，以达到减小开关应力，改善输出电压和电流波形的目的。 电力电子技术从1 9 5 6 年晶闸管问世一电力电子学诞生，至今已有近5 0 年的 发展历程，目前已基本形成比较完整的理论和学科体系，并成为门独立的学科， 尤其是在近1 0 年，电力电子学获得了突飞猛进的发展，被视为人类社会的第二次 电子革命。引用b k b o s e 教授的话：“电力电子技术在世界范围的工业文明发展 中所起的关键作用可能仅次于计算机。”从2 l 世纪开始“将对工业自动化、交通 运输、城市供电、节能和环境污染控制等方面的发展产生巨大的推动作用”。“在 将来工业高度自动化的情况下，计算机技术、电力电子技术及自动控制技术将成 为三种最重要的技术“h 。而其中正弦波逆变技术将成为电力电子技术中最重要的 组成部分之一。 1 1 2 逆变器的应用领域 随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高， 在许多领域逆变技术的应用越来越广泛。这里列举其中主要的几方面应用”1 。 1 不问断电源系统 在许多领域中被广泛应用的计算机、通信设备、检测设备等都需要采用不问 断电源。不问断电源( u p s ) 主要设备有充电器和逆变器。电网有电时，电网通过充 电器为蓄电池充电；在电网停电时，逆变器把蓄电池所充直流电逆变成交流电供 给用电设备使用。 3 华南理工大学硕士学位论文 2 交流电动机的变频调速 根据公式： ”= 6 0 f ( 1 一s ) p ( 1 1 ) 式( 卜1 ) 中： 一电机转速；，一电源频率；s 一转差率；p 一电机极对数。 只要改变电源频率，就可调节电动机的转速n 。使用逆变技术将普通交流电网电压 变换成电压及频率均可调的交流电，输入交流电机，从而调节电机的转速，已广 泛应用于控制风机、水泵、机床、轧机、机车牵引、电梯、传动、空调等场合。 3 电动机制动再生能量回馈 交流电动机和直流电动机在制动过程中，处于发电状态而使直流母线电压泵 升。在电力机车、地铁等方面采用有源逆变系统将能量回馈到交流电网而代替传 统的电阻能耗制动，既节约电能，又提高安全性能。 4 感应加热 中频炉、高频炉、电磁灶等设备利用逆变技术产生交流电，从而产生交变磁场， 金属在磁场中产生涡流电流而发热，从而达到加热、熔炼的目的。 5 弧焊电源 手工电弧焊、电阻焊、埋弧焊、电渣焊、t i g 焊、m i g 、m a g 、c o 。气体保护焊、 等离子弧焊与切割电源也正在用逆变式电源代替传统的整流式弧焊电源。 6 通信开关电源 通信电源包括一次电源和二次电源。一次电源将交流电变换成直流电给蓄电池 充电，同时供给二次电源。一次电源正由带逆变器的开关电源代替传统整流式电 源，而二次电源一般都是逆变式开关电源。 7 变频电源 世界上一些国家采用的是6 0 h z 的市电，而我们国家采用的是5 0 h z 的交流电。我 们在生产出口外销的家电、电动机等产品时，调试、检测、老化过程中都需要大 量的6 0 h z 的交流电源。采用逆变技术就可以设计出这种电源。 8 风力发电 风力发电机因受风力变化的影响，发出的交流电很不稳定，不能直接并网或 直接供给用电设备。可以先将风电机发的交流电整流成直流电，然后再逆变成比 较稳定的交流电，就能安全地并到交流电网上或者直接供给用电设备。 9 高压直流输电 目前通常采用的是交流输变电技术。但交流输电架线复杂、损耗大、电磁波 污染环境。这样直流输电就成为一个发展方向。直流输电过程：首先把交流电整 流成高压直流电，然后再进行远距离输送，最后逆变成交流电，降压后供给用电 设备。 逆变技术的应用还很多，除了上面列举的领域外，还有航空逆变器、舰船逆 4 第一章绪论 变器、有源滤波、无功补偿、交直流配电控制、机器人、工业控制机、影视设备、 充电装置、武器系统、医用电源、化学电源、电子镇流器、磁悬浮列车、家用电 器等等。随着电力电子技术和控制技术的发展，逆变技术的应用将更加广泛。 1 2 逆变器的类型和基本结构 直流一交流功率变换是通过逆变器实现的。逆变器的输入为直流，输出为交 流，交流输出电压除含有较大的基波成分外，还含有一定频率和幅值的谐波成分。 其基波频率和幅值都应可以在一定范围内调节控制。 1 2 1 逆变器的类型 控制半导体电力开关器件的导通和关断，将直流电能变为交流电能的过程称 为逆变，实现逆变过程的装置称为逆变器。逆变器的应用非常广泛，类型很多， 主要按下列方式分类： 1 按直流电源的类型，逆变器可分为电压型逆变器( v s i ) 和电流型逆变器 ( c s i ) 。电压型逆变器的输入端并接有大电容，逆变器将直流电压变换为交流电压， 因此也称它为电压源型逆变器v s i ( v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ) ；电流型逆变器的 输入端串接大电感，形成平稳的直流电流，逆变器将输入的直流电流变换成交流 电流输出，因此也称它为电流源型逆变器c s i ( c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r ) 。 2 按逆变器输出交流电的频率，可分为工频逆变器、中频逆变器和高频逆变 器。工频逆变器一般指5 0 6 0 h z 的逆变器；中频逆变器的频率一般为4 0 0 h z 到十 几k h z ；高频逆变器的频率则一般为十凡k h z 到m h z 。在现代高频开关电源领域， 5 0 0 k h z 以上才算是高频，但在逆变领域，有时功率比较大，2 0 k h z 的超音频算做 高频。 3 按逆变主电路结构不同可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变器。 4 按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。 5 按逆变器输出能量的去向分为有源逆变和无源逆变。 6 按控制方式分为调频式( p f m ) 逆变器和调脉宽式( p w m ) 逆变器。 7 按输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。 8 按逆变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、定频硬开关式逆变和定 频软开关式逆变。 5 华南理： = 大学硕士学位论文 1 2 2 逆变器的基本结构 逆变的直接功能是将直流电变换为交流电。逆变系统的核心就是逆变丌关电 路，或者叫逆变电路，通过电力电子开关的导通与关断，完成逆变的功能。电力 电子开关器件的通断，需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可以通过改变一个电压信 号来调节，产生和调节脉冲的电路通常称为控制电路。逆变电路中除了逆变主电 路和控制电路之外，还要有保护电路、辅助电源、输入电路、输出电路等等”1 ，如 图卜l 所示。 图卜1 逆变器的基本结构框图 f i g 1 1b 1 0 c kd i a g r a mo fin v e r t e r 1 输入电路 逆变主电路输入为直流电，若是直流电网、蓄电浊储存的电，或者是直流发 电机发出的电，或者是直流电动机和变频调速交流电动机制动时再生直流电，则 输入电路包括滤波电路和e m i 对策电路。若是交流电网，除了滤波和e m i 对策电 路外，还要有整流电路。 2 输出电路 输出电路一般都包括滤波电路和e m i 对策电路，对直流输出的逆变系统还包 括输出整流电路。对隔离式逆变器，在输出电路的前面还有逆交变压器。对于开 环控制的逆变系统，输出量不用反馈到控制回路，而对于闭环控制逆变系统，输 出量还要反馈到控制电路。 3 控制电路 控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的 导通和关断，从而配合逆交主电路完成逆变功能。在逆变系统中，控制电路和逆 变主电路同样的重要。 4 辅助电源和保护电路 辅助电源的功能就是将逆变器的输入电压变换威适合控制电路工作的直流电 压。若是直流输入，则是一个或几个d c d c 变换器；若是交流输入，则可以采用 工频降压、整流、线性稳压的方式，也可以采用d c d c 变换器。 保护电路主要包括： 6 第一章绪论 ( 1 ) 输入过压、欠压保护。因为是电网问题，一般是可以自恢复的。 ( 2 ) 输出过压、欠压保护。一般是故障问题，最好是不可自恢复的。 ( 3 ) 过载保护。有时是瞬间过载，所以应是可自恢复的。 ( 4 ) 过流和短路保护。属于故障，所以应该是不可自恢复的。 ( 5 ) 过热保护。当环境温度过高或长时间超负荷运行，逆变器会出现过热，这 时应自动保护，但冷却系统应该继续工作，在温度降到一定值后，应能自动恢复 工作。 5 逆变主电路 逆变主电路就是由逆变开关器件等组成的变换电路，分为非隔离式和隔离式 两大类。如变频器、能量回馈等都是非隔离的，逆变焊接电源、通信基础开关电 源、u p s 、加热电源等都是隔离式逆变电路。隔离式逆变主电路还应包括逆变变压 器。非隔离式电压变换电路形式有多种，是组成逆变主电路的基本形式，用它们 也可以组成各种隔离式逆变主电路。 1 3 逆变器的性能指标 1 3 1 逆变器输出波形性能指标 实际逆变器的输出波形除基波外总含有谐波，为了评价逆变器输出波形的质 量，引入了下述几个性能指标“： 1 谐波系数h f ( h a r m o n i cf a c t o r ) 第胛次谐波系数职定义为第九次谐波分量的有效值同基波分量有效值之比， 即为： 职= u 。u 。 ( 卜2 ) 2 总谐波系数t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o nf a c t o r ) 1 厂- m 2 麦j 。毳簟 。q ， 式( 卜3 ) 即为总谐波系数公式，它表征了一个实际波形同其基波分量的接近程 度。输出为理想正弦波时t h d 为零。 3 畸变系数d f ( d i s t o r t i o nf a c t o r ) 通常逆变电路输出端经l c 滤波器再接负载，如图卜2 所示。 若逆变电路输出的一次谐波( 疗珊) 有效值为u 。，则经l c 滤波器衰减后输出到 负载的n 次谐波电压v ，。近似为： 7 华南理丁大学硕士学位论文 矗 载 ( 1 4 ) 整漉输入滤波逆变嚣输出滤波 图卜2 整流桥供电的典型逆变器 f 7 i g 卜2t y p i c a li n v e r t e rw i t hr e c t i f i e r 适当的选择l c 使n 次谐波容抗远小于感抗：1 ( n a x ：) n a i l ，i l c n 2 2 ， 即谐振频率珊。= 1 l 4 l c v l o ) ，则： 吣志2 齑。街 5 ) l jlc o o 式( 卜5 ) 表明逆变电路输出端的n 次谐波电压经c 滤波器后要衰减 n2 ( c o c o 。) 2 倍。谐波阶数越高，经同一c 滤波器衰减后对负载的影响很小。总谐 波系数t h d 显示了总的谐波含量，但它并不能显示出每一个谐波分量对负载的影 响程度。很显然，逆变电路输出端的谐波通过滤波器时，高次谐波将衰减的更厉 害，为了表征经二阶上c 滤波后负载电压波形还存在畸变的程度，引入畸变系数 d f ，定义如下： 肼= 击j 。嘉。c ，2 c 卜s ， 对于第n 次谐波的畸变系数识可定义如下： d r = u ( u ln 2 ) ( 1 7 ) 4 最低次谐波l o h ( l o w e s t - o r d e rh a r m o n i c ) 最低次谐波定义为与基波频率最接近的谐波。 1 3 2 其他指标 对于逆变装置来说，其性能指标除波形性能指标外，还应包括下列内容 逆变效率； 单位质量( 或单位体积) 输出功率； 可靠性指标； 逆变器输入电流交流分量的数值和脉动频率； 电磁干扰e m i 及电磁兼容性e m c 。 8 第一章绪论 1 4 模拟控制的局限性和数字化控制技术的提出 1 4 1 模拟控制的局限- 陛 传统的逆变电源大多采用模拟控制，虽然模拟控制技术已经非常成熟，但其 存在很多固有的缺点和局限性，现归纳如下： 控制电路的元器件比较多，电路复杂，可靠性下降，所占体积比较大。 设计周期长，调试复杂。 灵活性不够，产品升级换代困难，一旦硬件电路设计好，控制策略就无法 改变，不利于先进控制方法的实施。 由于所采用器件特性的差异，致使电源的一致性不好，且模拟器件工作点 的漂移导致系统参数的漂移，因此，模拟方式很难实现逆变电源的并联。 器件老化及热漂移问题的存在，导致逆变电源输出性能下降。 模拟控制的逆变电源的监控功能有限，一旦出现故障，要想恢复正常，技 术人员必须亲赴现场。 1 4 2 数字化控制技术的提出 随着信息技术的发展，逆变电源越来越广泛地应用于银行、证券、军事、医 疗、航空航天等领域，早期的逆变电源，只需要其输出不断电，稳压稳频即可。 然而，今天的逆变电源除这些要求外，还必须环保无污染，即绿色环保逆变电源。 同时随着网络技术的发展，对逆变电源的网络功能也提出了更高的要求。高性能 的逆变电源必须满足下列要求： 高的输入功率因数，低的输出阻抗。 快速的暂态响应，稳态精度高。 稳定性高，效率高，可靠性高。 低的电磁干扰。 智能化。 完善的网络功能。 显然，上述要求的实现离不开数字化控制技术。随着微电子技术的发展以及 高性能的d s p 控制器的出现，逆变电源的数字化控制已成为现实。d s p 能够实时地 读取逆变电源的输出，并实时地计算出p w m 输出值，使得一些先进的数字控制策略 应用于逆变电源中成为可能。 9 华南理：【大学硕+ 学位论文 1 5 本文的研究内容 本文的研究内容具体包括以下几部分： ( 1 ) 分析了目前国内外逆变器的数字化控制技术现状，介绍了几种常见的数 字化控制策略，并总结了各种控制策略的优缺点。 ( 2 ) 为了获得鲁棒控制，克服电路参数的时变性和不准确性带来的问题，本 文采用了数字滑模控制策略，在详细介绍滑模控制的相关理论的基础上，以单相 全桥逆变电路和近年来兴起的基于d c d c 变换技术的b u c k b o o s t 逆变器为研究对 象分别给出了不同的滑模控制器设计方法，并简要的分析了两种方法各自的特点。 ( 3 ) 在理论分析和仿真的基础上，试制了b u c k - b o o s t 逆变器，包括硬件电路 及参数设计和d s p 控制系统软件设计。 ( 4 ) 从仿真上验证了基于全桥逆变电路的新型滑模控制方案的可行性。 1 6 本章小结 本章介绍了逆变器的发展历程和研究背景，同时介绍了逆变器的基本结构、分 类和性能指标，提出了逆变电源的数字化发展趋势，从而确定本文的研究内容。 1 0 第二章逆变器的数字化控制技术 第二章逆变器的数字化控制技术 2 1 逆变器数字化控制技术发展现状 早期的微处理器运算速度有限，通常只具有给定正弦波的产生、控制逆变电 源的开关及实现保护、显示等功能，逆变电源的核心一逆变器的控制仍然需要模 拟电路的参与。随着大规模集成电路a s i c 、现场可编程逻辑器件f p g a 及数字信号 处理器d s p 技术和控制理论的普遍发展，基于微处理器、d s p 的数字控制技术因其 重复性强、耐用性久、适应性好等优点，越来越受到人们的关注。逆变电源的控 制技术正朝着全数字化、智能化以及网络化的方向发展，逆变电源的数字化控制 技术发生了一次大的飞跃。逆变电源采用数字控制，具有以下优点： 易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得逆变电源的智能化程度更 高，性能更完美。 控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件 线路，大大缩短了开发局期。 控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统( 或不同型号的 产品) ，采用统一的控制板，而只需对控制软件做一些调整即可。 系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过r s 2 3 2 接口或r s 4 8 5 接 口或u s b 接口进行调试、故障查询、历史记录查询、故障诊断、软件修复， 甚至控制参数的在线修改、调试，也可以通过m o d e m 远程操作。 系统的一致性较好，成本低，生产制造方便。由于控制软件不像模拟器件 那样存在差异，所以，其一致性很好，由于采用软件控制，控制板的体积 将大大减小，生产成本下降。 易组成高可靠性的大规模逆变电源并联运行系统。为了得到高性能的并联 运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控 制，易于在模块之间更好地进行均流控制或在模块中实现复杂的均流控制 算法。从而实现大规模的高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。 由此可见，数字化是逆变电源发展的主要方向，但还存在很多难题需要解决， 目前的困难主要来自于： 逆变电源输出要跟踪的是一个按正弦规律变化的给定信号，它不同于一般 的开关电源的常值控制。在闭环控制下，给定信号与反馈信号的时间差体 现出明显的相位差，这种相位差与负载密切相关，给控制器的设计带来了 华南理工大学硕士学位论文 困难。 逆变电源的输出滤波器对系统的模型影响很大，输入电压的波动幅值和负 载的变化范围往往比较大，这些都增加了控制对象的复杂性，使得控制对 象模型的高阶性、不确定性、非线性显著增加。 对于数字式p w m 都存在一个开关周期的失控区间。一般是在每个开关周期 的开始或上个周期末来确定本次脉冲的宽度，即使这时系统发生了变化， 也只能在下一个开关周期对脉冲宽度作出调整。所以现在逆变电源的数字 化控制引起了广泛的关注。 当然，正是有着众多的优点，而问题又存在，才使得逆变电源的数字化控制 在国内外引起了广泛的关注。 2 2 逆变器的数字化控制策略 随着控制芯片性能的日益增强，电力电子装罱的控制系统逐步实现了数字化。 在现代控制理论和智能控制策略应用方面，一些新的控制方式如神经网络控制、 模型参考自适应控制、滑模变结构控制、专家系统控制、模糊控制等也逐渐进入 了电力电子电路控制领域”1 。常规的控制策略依赖于模型的精确性，丽电路参数具 有非线性和时变性，为了克服电路参数的时变性和不准确性带来的问题，可以利 用在线辨识系统参数来实现参数自适应控制，亦可以采用滑模交结构控制这种对 参数变化不敏感的控制方式。另外，采用预测模型、滚动优化、反馈校正和多步 预测的预测控制也可以获得更多的系统的实时信息，以提高控制系统的鲁棒性， 改善控制效果。此外，将预测控制与自校正技术结合起来，可以提高模型的精度， 减少预测模型输出误差，提高控制效果。 正是有了高性能的d s p ，才有可能将无差拍控制、重复控制、变结构控制、模 糊控制、神经网络控制及一些智能控制的思想应用到逆变电源的控制系统之中，也 就有了今天的逆变电源控制策略的众多成果，使得逆变电源的性能、可靠性不断提 高，维护更加方便。下面介绍逆变电源的数字化控制策略。 2 2 1 数字p id 控制 p i d 控制以其简单、参数易于整定等特点得到了广泛的应用。它是目前为止应 用最为广泛、最为成熟的一种控制技术，已经在模拟u p s 逆变器控制系统中得到 了很好的应用。p i d 控制具有以下优越性“： ( 1 ) 算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息。其中，比例 ( p ) 代表了当前的信息，起校正偏差的作用，使过程反应迅速。积分( i ) 代表了过 1 2 第二章逆变器的数字化控制技术 去积累的信息，它能消除静态误差，改善系统的静态性能。微分( d ) 在信号变化时 有超前控制作用，代表了将来的信息。在过程开始时强迫过程加速进行，过程结 束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加速系统的过渡过程。三方面配 合得当，可收到良好蛇效果，使动态过程快速、平稳、准确。 ( 2 ) p i d 控制算法在设计过程中不过分依赖系统参数，因此系统参数的变化对 控制效果的影响很小，控制的适应性好，有较强的鲁棒性。 ( 3 ) p i d 算法简单明了，已经形成一套完整的设计和参数调整方法。 逆变电源采用模拟p i d 控制时，如果只是输出电压的瞬时值反馈，其动态性能和 非线性负载时的性能不会令人满意；如果是输出滤波电感或输出滤波电容的电流 瞬时值引入反馈，其性能将得到较大的改进。然而，庞大的模拟控制电路使得控 制系统的可靠性下降、调试复杂、不易于整定。d s p 的出现使得这个问题迅速得到 了解决，如今各种补偿措施以及控制方式可以很方便地应用于逆变电源的数字p i d 控制中，控制器的参数修改方便，调试相对容易一些。 但是，数字p i d 控制算法应用到逆变电源的控制中，不可避免的产生了一些 局限性。首先，p i d 算法控制精度取决于比例项和积分项的选取，这两项越大，控 制精度越高。但是，积分项的加入会使输出电压与给定信号之间产生相位偏移。 在u p s 中，由于锁相同步的要求，这种相位偏移是绝对不允许的。这样算法中积 分作用必须取得很小甚至不加。其次，输出电压信号经采样离散化后，不可避免 的存在量化误差，即算法可以察觉到的误差最小值为一个量化单位。由于量化误 差的影响，比例作用不能取得太大，否则系统不稳定。最后，由于采样和计算延 时的影响，控制信号要延迟一个采样周期输出，这使得被控系统成为一个具有纯 时间滞后系统，等同于在系统中串联了一个纯延迟环节，减小了系统的稳定裕度。 这几种作用的结果势必造成稳态误差大，输出电压波形畸变。当然，随着高速信 号处理器d s p 和高速a d 模块的发展，智能控制的思路也引入到p i d 控制之中， 数字p i d 控制技术在逆变电源的控制中会有进一步的发展和应用。 2 2 2 无差拍控制 无差拍控制( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) 1 是一种基于电路方程的控制方式，其控制 的基本思想是将输出正弦参考波等间隔的划分为若干个取样周期，根据电路在每 一取样周期的起始值，用电路理论算出关于取样周期中心对称的方波脉冲作用下， 负载输出在取样周期末尾时的值。这个输出值的大小与方波脉冲的极性和宽度有 关，适当控制方波脉冲的极性和宽度，就能使负载上的输出在取样周期末与输出 参考波形重合。不断调整每一取样周期内方波脉冲的极性与宽度，就能在负载上 获得谐波失真小的输出，即使在很低的开关频率下，无差拍控制也能够保证输出 1 3 华南理 大学硕士学位论文 波形的质量，这是其它控制方法所不能做到的。 图2 一l 单相全桥逆变器 f i g 2 一ls i n g l ep h a s ef u l l b r i d g ei n v e r t e r 对于图2 - 1 所示的逆变电源，若取输出滤波电容电压和电流为状态变量，逆 变器状态方程表示如下： f 弘出“( 2 一1 ) y = c x 式中x = 【。i 。r ：y = “。；“= 【ui o r 。采用状态空问法将上式离散化，得离散 化状态方程为： “。( 惫+ 1 ) = a i