朱承邦 李 樂 王曉鵬

1大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧 大連116005 2中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

基于SPWM控制的電壓、電流雙環(huán)逆變器建模及其仿真

朱承邦1李 樂2王曉鵬2

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基于SPWM的電壓電流雙環(huán)逆變器控制相對其他逆變器控制策略具有一定優(yōu)越性，但其控制器參數設計卻是一個重點和難點。針對逆變器的SPWM電壓電流雙環(huán)控制策略，建立了系統(tǒng)的控制模型，設計了電流內環(huán)和電壓外環(huán)的控制器參數，并根據經典控制理論的判據，分別對控制器電流內環(huán)和電壓外環(huán)參數進行了理論驗證。最后根據設計的控制器參數，對SPWM電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)模型進行了仿真分析，結果表明，系統(tǒng)設計合理，效果滿意。

SPWM；逆變器；電壓電流雙環(huán)；仿真

1 引言

現代科技發(fā)展日新月異，各類電氣設備對電源的品質要求也越來越高。逆變供電作為一種有效的電力供應形式，已廣泛應用于生產生活的各個領域。

為了不斷改善逆變器輸出性能，人們發(fā)展出了多種逆變器控制方法，常見的有：電壓瞬時值控制、電流滯環(huán)控制、電流預測控制、魯棒控制［1］、重復控制［2，3］、滑模控制［4］及SPWM電流控制等。就各種逆變器控制策略的特點來看，基于SPWM的電壓電流雙環(huán)逆變器控制是一種較好的控制方法［5，6］。

本文針對電壓電流雙環(huán)逆變器控制模型，設計了電流內環(huán)和電壓外環(huán)的控制參數，對設計的雙環(huán)控制逆變器模型進行了仿真分析，分析結果證明了系統(tǒng)參數設計的合理性。

2 雙環(huán)控制逆變器結構

基于SPWM的電壓電流雙環(huán)逆變器控制原理圖如圖1所示，外環(huán)為瞬時電壓環(huán)控制，輸出電壓與參考正弦基準比較，誤差信號經過PI控制器調節(jié)后作為電流內環(huán)基準；內環(huán)為電流環(huán)，電感電流瞬時值與電流基準比較產生的誤差信號與三角波載波比較后產生SPWM控制信號。由于采用電感電流作為內環(huán)，因此這種控制方法有輸出限流的功能，即使在輸出短路的情況下，輸出電流也不會很大，而是被限定在設定的電流值。這增加了系統(tǒng)的可靠性，對逆變器過載有較好的保護作用。

圖1 電壓電流雙環(huán)逆變器控制原理圖

3 控制器參數設計

忽略電感L、電容C的寄生電阻，電壓電流雙環(huán)逆變器控制框圖［7］如圖2所示。其中E為直流母線電壓，R為負載阻抗，L為濾波電感值，C為濾波電容值，KL為內環(huán)電流檢測系數，KU為外環(huán)電壓檢測系數，KPWM為PWM環(huán)節(jié)等效增益。輸出電壓與給定參考信號相比較，得到的誤差信號經外環(huán)PI調節(jié)器（Kps＋KI）／s，其輸出作為內環(huán)給定信號。內環(huán)給定信號與輸出電流比較，得到的誤差信號經內環(huán)比例調節(jié)器K倍運算，得到了內環(huán)的控制信號，最后送入PWM調制器控制PWM脈沖的產生。

圖2 電壓電流雙環(huán)逆變器控制框圖

3.1 電流內環(huán)設計

根據圖2的電壓電流雙環(huán)逆變器控制框圖［8］，提取其中的電流內環(huán)部分作為分析和研究的對象［9］。由于電流內環(huán)中間含有反饋分量輸出電壓UO，為了簡化設計過程，我們假定在一個開關周期內，輸出電壓UO近似不變，得到簡化的電流內環(huán)框圖3。

假設不存在比例系數K時，電流內環(huán)的開環(huán)傳遞函數為：

此時電流通路為一階系統(tǒng)，當添加了比例系數為K反饋環(huán)后，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為：

假設電流檢測裝置的輸入輸出比值為1∶500，檢測電阻選取為200 Ω，由此得到比例系數KL為：

圖3 電流內環(huán)框圖

根據理論上的限制是將剪切頻率設定為開關頻率的一半，為了達到較好的控制效果，以少于1／5的開關頻率（Fs＝20 kHz）來使用較為恰當。因此，選擇剪切頻率為4 kHz。將各參數代入式（2），可得出比例系數k的取值。

求解式（4）得：K＝75。

通過各個系數可得電流內環(huán)的閉環(huán)傳遞函數GLB為：

由式（1）和式（2）可得

根據式（6）和式（7）分別畫出開環(huán)傳遞函數伯德圖，其中圖4（a）為無比例環(huán)節(jié)的電流開環(huán)傳遞函數伯德圖，（b）為有比例環(huán)節(jié)的電流開環(huán)傳遞函數伯德圖。

圖4 電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數伯德圖

通過圖4可以明顯看出，增加了比例系數K后的電流開環(huán)傳遞函數伯德圖在幅頻特性L（ω）≥0的頻段內，相頻特性φ（ω）并不穿越－π線，而系統(tǒng)的開環(huán)傳遞補函數在S平面右半部無極點，故系統(tǒng)在閉環(huán)時必然穩(wěn)定。

3.2 電壓外環(huán)設計

設計電壓環(huán)時，這里認為電流環(huán)的輸出已經能夠跟蹤輸入，在設計電壓外環(huán)的過程中，將電流環(huán)等效于增益為1的比例環(huán)節(jié)，電壓外環(huán)框圖如圖5。

圖5 電壓外環(huán)框圖

在電壓外環(huán)沒有加入PI調節(jié)器以前，電壓外環(huán)的開環(huán)傳遞函數GUK為：

為了使系統(tǒng)能夠得到更好的動態(tài)性能，消除輸出電壓UO的穩(wěn)態(tài)誤差，這里引入PI調節(jié)器進行補償，其開環(huán)傳遞函數GUK′：

這里設定電壓環(huán)的電壓檢測系數KU＝0.01，電阻R＝50 Ω，電容C＝10 μF。沒有加入PI調節(jié)器以前，電壓外環(huán)由比例環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)組成，系統(tǒng)的轉折頻率ωC為：

PI環(huán)節(jié)的轉折頻率設為3 140 rad／s，添加了PI環(huán)節(jié)后整個系統(tǒng)的剪切頻率為6 280 rad／s，聯立式（8）和式（9），建立以下方程。

求解式（11）得

得到PI控制器的傳遞函數GPI為：

由式（9）和式（12），計算出加入了PI控制器的電壓閉環(huán)傳遞函數GUB：

通過式（8）和式（9）分別求得

根據式（14）、式（15）分別畫出各開環(huán)傳遞函數的伯德圖，其中圖6（a）是PI補償前電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數伯德圖，圖6（b）是PI補償后電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數伯德圖。可以看出，PI補償后電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數伯德圖相角裕量為81.5°，閉環(huán)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)裕量。

4 逆變器的仿真分析

在MATLAB的Simulink模塊仿真環(huán)境中，建立了基于SPWM的電壓電流雙環(huán)控制逆變器仿真模型［10－12］，表1是建模系統(tǒng)的主要參數，仿真結果見圖7。

圖6 電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數伯德圖

表1 逆變器的主要參數

圖7（a）和（b）是逆變器從滿載到斷路時輸出電流和電壓的波形，（c）和（d）是逆變器從半載到滿載時輸出電流和電壓波形。由仿真波形可知，逆變器輸出電壓波形響應迅速，無不良畸變，負載調整時系統(tǒng)抗干擾能力強，逆變器控制系統(tǒng)具有較好的負載動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，逆變器系統(tǒng)及控制參數設計合理。

圖7 逆變器輸出電流、電壓仿真波形

5 結束語

本文根據SPWM控制的電壓電流雙環(huán)逆變器模型，對控制器的參數設計進行了重點討論。其中內環(huán)的電流環(huán)采用比例調節(jié)，以提高系統(tǒng)的快速性和動態(tài)性能；外環(huán)的電壓環(huán)采用PI調節(jié)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和消除靜態(tài)誤差。仿真分析表明，系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，參數設計合理。

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Modeling and Simulation of Voltage and Current Double Loop Control Based on SPWM Inverters

Zhu Cheng-bang1Li Le2Wang Xiao-peng2
1 The Naval Representative Office，Dalian Shipbuilding Heavy Industry Co.，Dalian 116005，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Comparing with other inverters control strategy，voltage and current double loop control based on SPWM inverters are superior in capabilities though the controller parameters design is significant and difficult.In this paper，the system control model has been constructed in terms of inverters of SPWM voltage and current double loop control strategy，and the current inner loop and voltage outer loop controller parameters design has been proposed with theoretical validation of classic control theory criterion.The SPWM voltage and current double loop control system model simulation provided with designed controller parameters shows that the system design is reasonable and the effect is satisfying.

SPWM；inverter；voltage and current double loop；simulation

TM743

A

1673－3185（2009）05－54－05

2008-09-03

朱承邦（1963－），男，高級工程師。研究方向：雷達應用