0 引言
過去對(duì)逆變器的研究側(cè)重于采用新型高頻開關(guān)功率器件,從而減小濾波器尺寸,優(yōu)化輸出濾波器設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)低輸出阻抗等,這些措施能在一定程度上抑制輸出波形失真并改善負(fù)載適應(yīng)性,但是還不夠理想。為了進(jìn)一步提高逆變器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性,必須采用新的控制方法。采用重復(fù)控制技術(shù),可以較好地抑制周期性干擾,但是,重復(fù)控制延時(shí)一個(gè)工頻周期的控制特點(diǎn),使得單獨(dú)采用重復(fù)控制的逆變器動(dòng)態(tài)特性極差,基本上無法滿足逆變器的指標(biāo)要求。如果將雙環(huán)控制和重復(fù)控制相結(jié)合形成復(fù)合控制方法,就可以達(dá)到較好的效果。但是,這種控制方法要占用較多的運(yùn)算時(shí)間,提高了成本,使系統(tǒng)變得復(fù)雜。具有非線性補(bǔ)償?shù)幕?刂圃谀孀兤鞯拈]環(huán)控制中也得到了應(yīng)用,盡管滑摸控制有著快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng),對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和負(fù)載變化不敏感,但是建立一個(gè)令人滿意的滑模面是很困難的。
電容電流采樣的雙環(huán)控制可以極大地提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度,如果把順饋控制和逆饋控制相結(jié)合,組成復(fù)合控制系統(tǒng),那么可以達(dá)到比較理想的控制效果。本文所采用的就是這種帶有順饋補(bǔ)償?shù)妮敵鲭妷汉蜑V波電容電流反饋的復(fù)合控制方案。
l 逆變器的控制模型
圖1是全橋逆變器的主電路圖,Vd是直流電壓源,S1~S4是4個(gè)IGBT開關(guān)管,L和C是濾波電感和濾波電容,用于濾除逆變系統(tǒng)中的高次諧波。RL和RC是濾波電感和濾波電容的等效串聯(lián)阻抗。z是負(fù)載,負(fù)載可以是純阻性也可以是非線性等。圖1所示的逆變器主電路由于開關(guān)器件的存在是個(gè)非線性系統(tǒng)。但是,當(dāng)器件的開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于逆變器輸出電壓的基波頻率時(shí),可以用狀態(tài)空間平均和線性化技術(shù)來分析。按照?qǐng)D1所示,可以得到下面的逆變器模型的動(dòng)態(tài)方程:
式中:iC,iL,iZ,分別是通過電感,電容,負(fù)載的電流。
式中:ic,iL,iz上面的動(dòng)態(tài)方程顯示了逆變器中各個(gè)量的相互關(guān)系。在上面建立方程的過程中,逆變器可以看作一個(gè)具有恒定增益的放大器。以上述的動(dòng)態(tài)方程為基礎(chǔ),可以設(shè)計(jì)一個(gè)如圖2所示的復(fù)合控制器。圖2中各參數(shù)的定義如表1所列。
2 控制器模型的特性分析
在圖2控制框圖中,電壓環(huán)作為逆饋瞬時(shí)控制外環(huán),電流環(huán)作為逆饋瞬時(shí)控制內(nèi)環(huán)。逆變器輸出電壓經(jīng)過比例環(huán)節(jié)與參考電壓比較,誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后作為電流控制內(nèi)環(huán)的一部分基準(zhǔn),另一部分基準(zhǔn)來自于參考電壓的順饋,這個(gè)復(fù)合基準(zhǔn)與來自比例環(huán)節(jié)的電容電流比較后,再經(jīng)過比例調(diào)節(jié)和放大環(huán)節(jié)就得到了逆變器開關(guān)管的輸出電壓。為了能夠更清楚地分析上面的控制原理,現(xiàn)在采用下面的工程化分析方法,即
1)由于電壓和電流逆饋環(huán)節(jié)的濾波常數(shù)很小,將其忽略;
2)濾波電感和濾波電容的等效串聯(lián)阻抗對(duì)電路性能的影響較小,也將其忽略;
3)以線性電阻為負(fù)載對(duì)象分析。
取PI調(diào)節(jié)函數(shù)為可以對(duì)Uref實(shí)現(xiàn)誤差為零的復(fù)現(xiàn)(證明略)。利用上面的分析,可以把圖2化簡(jiǎn)為圖3。
這樣,得到逆變器的開環(huán)傳遞函數(shù)為:
其極點(diǎn)和零點(diǎn)為
通常則式(5)可以化簡(jiǎn)為
根據(jù)上面的函數(shù)表達(dá)式,作出的閉環(huán)根軌跡如圖4所示。圖4中虛線部分是電壓瞬時(shí)值反饋控制的根軌跡,實(shí)線是本文所采用的復(fù)合控制的根軌跡圖。圖4(a)和圖4(b)分別是輕載和滿載的軌跡圖。從圖4中可以看出,本文所采用的控制方案由于在開環(huán)傳遞函數(shù)中引入的附加零點(diǎn),使閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡遠(yuǎn)離虛軸,大大增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而且!萼筍的值比較大,因此可以減少系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間,又不會(huì)造成系統(tǒng)較大的超調(diào)。
3 仿真與實(shí)驗(yàn)
圖5~圖8是用逆變器驗(yàn)證上面的控制方案的仿真結(jié)果。圖中的切換都是選在正弦波的波峰處,這種情況代表了切換的最大電壓崎變。圖中所示波形的動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間小于0.5ms,穩(wěn)態(tài)整流橋負(fù)載THD為1%。圖9和圖10是系統(tǒng)的開環(huán)和閉系統(tǒng)的相位裕度大于60℃,為數(shù)字控制的滯后,死區(qū)效應(yīng),濾波器的滯后特性等留有足夠的穩(wěn)定裕量。而且調(diào)節(jié)時(shí)間很快,通帶內(nèi)增益穩(wěn)定,且相移很小。
4 結(jié)語
分析了一個(gè)用于逆變器的復(fù)合控制技術(shù),控制原理分析以及仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種控制方法穩(wěn)定性好,穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良,是一個(gè)值得推廣應(yīng)用的逆變器控制技術(shù)。