逆变电源控制策略.docx

逆变电源控制策略一、 逆变电源模型1.1 固定负载模型为简化模型，假定负载为阻性负载，忽略电容的寄生电阻与电感的电阻，以电容电流和输出电压为控制变量，由此建立的逆变电源的等效模型为一个双输入单输出的系统，则逆变电源状态方程由下式求得：（1-1）（1-2）经变换得到状态方程的矩阵形式：（1-3）其中：; 由上式可得传递函数模型，一般只关心逆变电源输出电压，因此只给出电压传递函数表达式。逆变电源输出负载为R的滤波器S域传递函数模型为：（1-4）（1-5）其中，当逆变电源空载时，及时，有：（1-6）其中：，1.2 将负载处理为扰动输入模型实际逆变电源负载不是唯一，总在一个额定范围内变动，为了保持在不同负载下模型的统一性，可将负载电流处理为扰动量。对逆变电源输出滤波器，取电容电压与电容电流作为状态变量，与分别为输入量与扰动量，输出电压为输出量，可以得到逆变电源输出滤波器线性双输入、单输出状态空间模型：（1-7）上式表示成域为：（1-8）其中同前，相应得传递函数框图模型如图1-1所示：图1-1 逆变电源输出滤波器参数模型二 多环反馈控制的基本原理在单电压环反馈控制中，负载扰动的影响最终在系统的输出电压中体现出来后，控制系统才开始有所反应，因此这种方法抵抗负载扰动的能力较弱。为了能在各种负载条件下使逆变电源输出高质量的电压波形，通过将电压和电流的瞬时值作为反馈量进行控制，从而解决各种负载带来的扰动以及抑制谐波，这将是比较合理的方案。本文所采用的三环控制方案就是利用电流内环的快速性、及时性来有效抑制负载扰动的影响。2.1 开环控制在开环控制情况下，将逆变桥增益量化为1，则逆变电源带阻性负载时的传递函数为：（2-1）图2-1 开环控制系统带不同负载时的波特图图2-1给出了在R取不同值时的系统波特图，从图中可以看出，随着R取值的增加，系统的谐振峰值也增加。对于逆变电源而言，随着负载电阻阻值的增加，LC滤波器对谐波的放大作用有增大的趋势，因此，在空载情况下，将出现最高的谐振峰值。当时，系统的空载传递函数为： （2-2）由于的阻值很小，所以系统空载时传递函数是一个欠阻尼系统，其动态性能较差，整个系统具有震荡性，图2-2为逆变电源空载时的波特图，可以看出系统的稳定裕度很小，所以必须对系统引入反馈控制。图2-2 开环控制系统空载时的波特图2.2 单电压环反馈控制输出电压瞬时值单环控制是将逆变电源的输出电压直接与参考正弦给定相比较，其结构框图如图2-3所示，在这里采用P型调节器，图中为参考正弦波输入，为控制环调节器的增益系数，逆变桥增益量化为1。图2-3 逆变电源单电压环反馈控制原理框图忽略负载电流扰动，即空载时，由结构框图可得到逆变电源正弦电压给定对于实际输出电压U的传递函数为：（2-3）带载时，负载电流扰动对于输出电压U的传递函数，即输出阻抗为：（2-4）图2-4为单电压反馈环控制系统空载时的波特图，单电压反馈控制通过对输出电压的瞬时值进行负反馈控制，设置比例调节器的参数可以使得系统较开环控制时有好一些的动静态性能。增大，可以减少系统稳态误差，提高系统的动态响应速度。但的增大，会减小系统的稳态裕度，因此不可能取得过大；同时系统在空载时仍然是一个二阶震荡环节，空载时性能仍然较差。为进一步提高动态、静态性能，可以增设电流内环反馈，从而构成多环反馈控制。 图2-4 单电压反馈环控制的波特图2.3 电感电流内环电压外环反馈控制电感电流内环电压外环的双环反馈控制结构框图如图2-5所示，它在单电压反馈控制的基础上，以滤波电感电流为反馈变量构成电流内环。图2-5 逆变电源电感电流内环电压外环反馈控制原理图上图中，为系统输入，即输出电压的参考正弦信号，逆变桥增益量化为1。根据结构框图2-5可以得到逆变电源正弦电压给定对于实际输出电压的传递函数为： （2-5）带载时，负载电流扰动对于输出电压U的传递函数，即输出阻抗为： （2-6）如2-6 电感电流内环电压外环的双环反馈控制系统的波特图取相同的系统参数，根据式2.5可以划出基于电感电流的多环反馈控制系统的波特图，如图2-6所示。相比于开环控制系统的单电压控制系统的波特图，我们可以很清楚地看出系统的幅频特性曲线在谐振频率处的谐振尖峰已经被消除，这说明空载系统在该处的震荡问题得到很大的改善。同时，由相频特性曲线也可以看出，系统的稳定裕度也比原来大了许多。因此，滤波电感电流内环的引入，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、变压器铁芯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。且电流内环具有自然的限流功能。与单一的电压瞬时值反馈控制方式相比，系统的稳态性能与暂态性能都大大提高，特别是由于负载电流控制的引入，使得系统带非线性负载时输出电压的正弦度有了很大的改善。2.4 电容电流内环电压外环反馈控制滤波电容电流内环电压外环的双环反馈控制结构框图2-7所示，它在单电压反馈控制的基础上，以滤波电容电流为反馈变量构成电流内环。图2-7 逆变电源滤波电容电流内环电压外环反馈控制原理框图上图中，为系统输入，即输出电压的参考正弦信号，逆变桥增益量化为1。根据结构框图2-7可以得到逆变电源正弦电压给定对于实际输出电压的传递函数为： （2-7）带载时，负载电流扰动对于输出电压U的传递函数，即输出阻抗为： （2-8）图2-8 电容电流内环电压外环的双环反馈控制系统的波特图同样去相同的系统参数，根据式2-7可以画出基于电容电流的多环反馈控制系统的波特图，如图2-8所示。相比于开环控制系统的单电压控制系统的波特图，我们仍可以很清楚地看出系统的幅频特性曲线在谐振频率处的谐振尖峰已经被消除了，这说明空载系统在该处的震荡问题也得到了很大的改善。同时，由相频特性曲线也可以看出，系统的稳定裕度也比原来大了许多。 采用电容电流反馈与电感电流反馈相比，系统的稳定性略有降低，但是系统外特性更硬。由于电感电流反映的是负载电流的变化，而电容电流反应的是输出电压的变化，而滤波电容电流相当于输出电压的微分，代表了输出电压的变化趋势，可以提前对输出电压进行校正控制，所以采用电容电流反馈的系统有更好的负载适应能力，尤其是很强的带整流负载的能力。从电路角度看，出现负载扰动时，电感电流不能突变，只能影响电容电流，因此，电容电流反馈可以直接反映出负载电流的瞬时变化。从扰动的作用点来看，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