董釗，王躍龍，林瓊斌

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

1 引言

逆變器是UPS、感應(yīng)電源、交流調(diào)速等電力電子裝置的核心部分［1］，這些交流電源要求逆變器具有輸出波形質(zhì)量好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快?？箶_能力強(qiáng)等特點(diǎn)［2］。由于逆變器輸出波形是中、低頻正弦波，所以控制算法不能保證系統(tǒng)無靜差［3］。

為了使逆變器的動(dòng)穩(wěn)態(tài)輸出特性較好，專家學(xué)者相繼提出了單周期控制、無差拍控制、智能控制等算法。本文研究了一種應(yīng)用在單相逆變器控制中的新型雙閉環(huán)控制算法，內(nèi)環(huán)采用無差拍控制方法，可以大大改善被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，使被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)性能變得極佳［4－8］;外環(huán)采用三輸入單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，該算法不僅可以使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值上，同時(shí)還可以抑制輸出電壓的畸變。這兩種控制算法的結(jié)合，可以發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，互補(bǔ)不足，使系統(tǒng)得到更好的控制效果。通過在Matlab/Simulink中建模仿真，驗(yàn)證了該算法的可行性。

2 新型雙閉環(huán)控制策略

一般而言，雙閉環(huán)控制策略是內(nèi)環(huán)控制電流，外環(huán)控制電壓［9］。電流內(nèi)環(huán)能夠擴(kuò)大逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，使逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，輸出電壓的諧波含量減?。?0］。電壓外環(huán)能夠穩(wěn)定輸出電壓，將負(fù)載輸出電壓與給定電壓誤差縮小為零。單相逆變器等效電路及其控制策略圖如圖1所示，取負(fù)載的輸出電壓反饋信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較，通過單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制模塊，將其處理為電流內(nèi)環(huán)的參考信號(hào)，再與輸出電感電流反饋信號(hào)相比較，得到誤差信號(hào)，經(jīng)無差拍控制模塊，最終得到PWM的給定信號(hào)。

3 雙環(huán)控制系統(tǒng)建模

基于LC濾波的單相離網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中為iL電感電流，iC為電容電流，io為負(fù)載電流，uo為輸出電壓;R為逆變器負(fù)載電阻，ui為逆變橋側(cè)的輸出電壓，Ud為逆變橋輸入直流電。

圖1 逆變器等效電路及其控制策略圖

圖2 單相離網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

針對(duì)電流內(nèi)環(huán)反饋，根據(jù)基爾霍夫定律，可列出連續(xù)時(shí)域系統(tǒng)中的電路方程如下:

在一個(gè)采樣周期內(nèi)，將式(1)進(jìn)行離散化，可得:

式中，T為離散采樣時(shí)間。

電流內(nèi)環(huán)采用無差拍控制策略，需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在第K+1時(shí)刻跟蹤上參考電流，則令

其中，iref為參考電流，即電壓外環(huán)的輸出信號(hào)。

電壓外環(huán)采用改進(jìn)的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器，該控制器是傳統(tǒng)PID控制器與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種改進(jìn)型控制方法，是通過對(duì)加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自組織功能［11］。通過有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則來實(shí)現(xiàn)權(quán)系數(shù)的更新。三輸入單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖中，yref為逆變器負(fù)載的參考電壓，y為逆變器負(fù)載的輸出電壓。通過轉(zhuǎn)換器后獲得單神經(jīng)元的輸入信息為:

x1(k)=yref(k)－y(k)=e(k)

圖3 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的結(jié)構(gòu)圖

改進(jìn)型的單神經(jīng)元自適應(yīng)控制算法及學(xué)習(xí)算法為:

式中，nI、nP、nD分別為積分、比例、微分的學(xué)習(xí)速率，K為神經(jīng)元的比例系數(shù)，K＞0。該P(yáng)ID控制器學(xué)習(xí)算法的運(yùn)行效果與可調(diào)參數(shù)nI、nP、nD、K等的選取關(guān)系密切。準(zhǔn)確參數(shù)通過參閱文獻(xiàn)［12］，以及大量實(shí)例仿真和實(shí)控結(jié)果得出，這里不再贅述。

根據(jù)以上分析，最終得到的逆變器開關(guān)管占空比為:

4 算法Simulink建模仿真分析

運(yùn)用Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)仿真和代碼生成。逆變直流側(cè)電壓取250V，阻性負(fù)載取R=55Ω，載波頻率fC=20kHz，逆變器有效輸出110V/50Hz。根據(jù)相關(guān)計(jì)算，取采樣時(shí)間 T為0.1ms，LC濾波器參數(shù)為 L=1.2mH，C=3 ×10－5F，nI取 1，nP取 1000，nD取 10，K值取0.75。利用Matlab/Simulink搭建該控制算法的模型進(jìn)行了仿真，仿真如圖4所示。

首先對(duì)系統(tǒng)的靜態(tài)模型進(jìn)行了研究。當(dāng)變換接不同負(fù)載時(shí)，則得到如圖5～7所示的負(fù)載輸出電壓和輸出電壓FFT分析圖波形。

圖4 阻容性負(fù)載時(shí)，控制算法的模型圖

圖5

圖6

圖7

由圖5～7的仿真波形可知，在接純阻性負(fù)載時(shí)，輸出電壓的THD為0.25%;接阻感性負(fù)載時(shí)，輸出電壓的THD為0.35%;接阻容性負(fù)載時(shí)，輸出電壓的THD為0.36%。可見，該控制算法下的逆變器的靜態(tài)性能較好，輸出電壓的失真度較小。隨后對(duì)逆變器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真研究。當(dāng)接純阻性負(fù)載時(shí)，在0.02s時(shí)阻性值由55突然減少一半，到0.04s時(shí)，再由一般阻值突變到55。此時(shí)負(fù)載兩端電壓波形和FFT分析圖如圖8所示(為了便于輸出電壓與負(fù)載電流易于比較，使輸出電壓縮小10倍)。

圖8 突變時(shí)，負(fù)載兩端電壓波形和電流比較圖

圖9 突變時(shí)，3個(gè)周期內(nèi)的負(fù)載兩端電壓FFT分析圖

可見，在該控制算法下，當(dāng)阻性負(fù)載突變時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間幾乎為0，且在突變的3個(gè)周期內(nèi)，輸出電壓的THD為0.19%，說明該算法具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

顯然，通過對(duì)該逆變器新型雙環(huán)控制算法在Matlab/Simulink平臺(tái)下的建模仿真，結(jié)果顯示具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，滿足相關(guān)要求。

5 結(jié)論

研究了新型數(shù)字雙閉環(huán)控制算法在單相逆變器控制中的應(yīng)用。仿真結(jié)果表明，采用該新型雙閉環(huán)控制算法的逆變器具有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能，并且算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程易于實(shí)現(xiàn)。

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