王越男徐 鵬郭晉男趙 彬

（1. 長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，長春 130012；2. 吉林省四平市公安消防支隊，吉林 四平 136000）

逆變電源系統(tǒng)復(fù)合控制方法研究

王越男1徐 鵬1郭晉男2趙 彬1

（1. 長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，長春 130012；2. 吉林省四平市公安消防支隊，吉林 四平 136000）

本文詳細研究了雙閉環(huán)控制方法及重復(fù)控制方法的工作原理，根據(jù)其控制特性進行融合，建立了逆變電源系統(tǒng)復(fù)合控制模型，給出一種基于雙閉環(huán)控制和重復(fù)控制的復(fù)合控制方法，并進行了仿真實驗研究。結(jié)果表明復(fù)合控制方法具有動態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)誤差小的特性，達到了對逆變電源復(fù)合控制的預(yù)期效果。

逆變電源系統(tǒng)；雙閉環(huán)控制；重復(fù)控制；復(fù)合控制

逆變電源廣泛應(yīng)用于消防、化工、智能樓宇等領(lǐng)域。近年來隨著逆變電源應(yīng)用領(lǐng)域的增多，應(yīng)用環(huán)境越來越復(fù)雜，對逆變電源的性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的逆變電源模擬控制有其固有缺陷，難以滿足高性能、高精度逆變電源的要求，而數(shù)字控制不存在模擬控制方法的缺陷，且易于實現(xiàn)數(shù)字控制策略，維護方便，已逐步取代模擬控制［1-2］。

重復(fù)控制是由INOUET等人針對高精度跟蹤應(yīng)用場合提出的用于一個周期已知的參考輸人學(xué)習(xí)控制方法［3］。重復(fù)控制因其控制精度高、實現(xiàn)簡單以及控制性能的非參數(shù)依賴性，很快成為解決周期性外激勵信號控制問題的一種有效方法。雙閉環(huán)控制方法基本思想是以電壓作為外環(huán)反饋，電流作為內(nèi)環(huán)反饋，內(nèi)外環(huán)共同作用，能夠在擾動初期快速響應(yīng)，消除系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，增強系統(tǒng)的動態(tài)性能，改善控制效果［4］。

本文重點對雙閉環(huán)控制方法及重復(fù)控制方法進行研究，詳細分析其特性，并將二者結(jié)合構(gòu)建逆變電源系統(tǒng)復(fù)合控制器，保證逆變電源系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能。針對逆變電源系統(tǒng)應(yīng)用Matlab進行仿真實驗研究，結(jié)果表明采用復(fù)合控制方法逆變電源系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)誤差小，逆變電源系統(tǒng)輸出特性得到較大改善，達到預(yù)期的控制要求。

1　雙閉環(huán)控制方法研究

雙閉環(huán)控制按照反饋電流來源的不同可以分為電感電流型雙閉環(huán)控制和電容電流型雙閉環(huán)控制［4］。電感電流型反饋具有輸出電壓波形質(zhì)量高，過載短路能力強等特點，但是對于整流型負載特性較差，而電容型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中的反饋電流來自電容，電容電流型系統(tǒng)具有較強的帶整流性負載的能力，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快、魯棒性強等優(yōu)點［5-6］。因此本文采用電容電流型雙閉環(huán)控制方法。

電容型雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　電容電流型雙閉環(huán)反饋控制

電容電流型雙閉環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)圖中 Uref為理想正弦波參考輸入，Kv為電壓調(diào)節(jié)系數(shù)，Ki為電流調(diào)節(jié)系數(shù)，Z為負載阻抗，K為升壓變壓器變比，RL濾波電感等效串聯(lián)電阻。理想正弦波輸入電壓與反饋電壓信號相比較，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器調(diào)整后，作為內(nèi)環(huán)電流給定輸入。內(nèi)環(huán)電流給定輸入與電容反饋電流信號作比較后，得到控制信號，該信號與三角波載波信號形成雙極性 SPWM調(diào)制波作為逆變器的驅(qū)動信號。分別選擇系統(tǒng)的輸出電壓和參考輸入電壓作為系統(tǒng)輸出和輸入信號，建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

同時建立系統(tǒng)的輸出電壓U0與反饋電流I0之間的傳遞函數(shù)

雙閉環(huán)控制方法具有動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點，但在設(shè)計系統(tǒng)時，由式（1）和式（2）可知，系統(tǒng)輸出與負載特性密切相關(guān)，系統(tǒng)負載模型不確定性或輸出干擾會使系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差；同時雙閉環(huán)控制系統(tǒng)參數(shù)校正的準(zhǔn)確程度影響系統(tǒng)的輸出。增大傳遞函數(shù)中的電壓系數(shù)Kv和電流系數(shù)Ki，可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，而 Kv和Ki不能無限制的增大，Kv過大將會導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量增加，嚴(yán)重時會發(fā)生振蕩。Ki過大將導(dǎo)致多次相交的現(xiàn)象發(fā)生，系統(tǒng)損耗增加，輸出波形發(fā)生畸變。嚴(yán)重影響系統(tǒng)的控制效果，所以多次相交的現(xiàn)象一定要避免。

2　重復(fù)控制方法研究

重復(fù)控制方法是一種基于內(nèi)模原理的控制方法［7］，其基本思想是假設(shè)前一個基波周期中出現(xiàn)的波形畸變會在下一個基波周期的同一時刻出現(xiàn)，然后控制器根據(jù)給定的參考信號與反饋信號的差值來確定需要校正的補償值，該補償值被疊加到下一個控制信號來消除基波中相同的畸變。重復(fù)控制在 s域的內(nèi)模形式表達式為［8-9］

式中，L表示給定信號周期，由控制理論可知，上式為正反饋環(huán)節(jié)，而且延時一個周期，所以上式能夠?qū)崿F(xiàn)，針對周期出現(xiàn)的干擾信號的累加，按照上述方法可以實現(xiàn)重復(fù)控制器的內(nèi)模［10］。

由于延遲環(huán)節(jié)的存在，實際應(yīng)用中大多采用離散形式。重復(fù)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)逐周期累加，當(dāng)無擾動時，輸出量不發(fā)生變化。通過重復(fù)控制器將此時刻的控制量延時一個周期，下一個周期與當(dāng)時的控制量共同作用，有效地消除周期性的擾動。理論上該方法存在擾動或誤差時，逐周期累加直至擾動或者誤差為零，實際應(yīng)用中雖然環(huán)境可能變化，仍能夠?qū)崿F(xiàn)誤差較小的目標(biāo)。從式（3）可以看出，重復(fù)控制器存在延遲環(huán)節(jié)，導(dǎo)致本周期得到的控制量延遲一個周期輸出，才能發(fā)揮控制作用。因此重復(fù)控制第一個周期接近為開環(huán)，從第二個周期起開始作用，采用該方法動態(tài)性能較差［11］。

圖2（a）的結(jié)構(gòu)雖然可以實現(xiàn)逐步減小誤差，進而較好地跟蹤給定信號，但在外部環(huán)境變化時，該結(jié)構(gòu)不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。這種情況在實際工程應(yīng)用中是不允許的，因此需要將這種結(jié)構(gòu)加以改進。改進后的重復(fù)信號發(fā)生器如圖2（b）所示，在反饋回路加入輔助補償器Q（z），加入Q（z）后單位圓上的開環(huán)極點發(fā)生偏移，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定［12］。

圖2 重復(fù)信號發(fā)生器

圖2（b）中，由自動控制理論可以得到［13］：

即

式中，Q（z）通常為一個小于1的常數(shù)；z-N為基波單位周期延時。當(dāng) Q（z）不同時，由文獻［14］給出的波特圖可知，重復(fù)控制器頻率特性表現(xiàn)為周期性，幅值處增益主要受Q影響，而相位集中在-90°～90°之間。較大的Q值可使控制器在基波和各次諧波頻率處獲得較高的增益。由式（5）可知，k時刻系統(tǒng)的輸出等于（k-N）時刻輸出的0.98倍與k時刻偏差的和，系統(tǒng)輸入量減小為（k-N）時刻輸出的2%時，系統(tǒng)不發(fā)生控制作用。改進型重復(fù)控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中r為參考輸入，y為系統(tǒng)輸出電壓，d為擾動信號，C（z）為補償環(huán)節(jié)，P（z）為控制對象。

圖3　改進型重復(fù)控制器結(jié)構(gòu)圖

3　復(fù)合控制器設(shè)計

通過對雙閉環(huán)控制方法及重復(fù)控制方法的研究可知，雙閉環(huán)控制方法具有快速的動態(tài)響應(yīng)，但穩(wěn)態(tài)誤差較大；而重復(fù)控制具有穩(wěn)態(tài)誤差小的優(yōu)點［15］，卻存在動態(tài)響應(yīng)慢的不足，因此本文將二者結(jié)合，互補其不足，構(gòu)成復(fù)合逆變電源控制系統(tǒng)，能夠改善系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，控制效果良好。其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4　復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

考慮到動、靜態(tài)性能對系統(tǒng)的重要性，本文將重復(fù)控制器與雙閉環(huán)控制器相結(jié)合構(gòu)成復(fù)合控制器。采用復(fù)合控制方法，當(dāng)存系統(tǒng)在偏差時，通過重復(fù)控制器逐周期地消除偏差，從而獲得較好的跟蹤性能，同時能夠提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。重復(fù)控制能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，發(fā)揮二者各自的優(yōu)點，有效地提高系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。

4　逆變電源系統(tǒng)仿真實驗研究

逆變器拓撲結(jié)構(gòu)采用低頻鏈結(jié)構(gòu)，分為直流輸入單元，重復(fù)控制器，驅(qū)動器，單相全橋逆變電路，升壓變壓器，輸出濾波器及反饋單元等幾部分組成。實際設(shè)計時，輸出濾波器主要負責(zé)系統(tǒng)頻率特性的矯正及濾除變壓器輸出的高次諧波作用。逆變電源系統(tǒng)Simulink結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5　逆變電源系統(tǒng)Simulink結(jié)構(gòu)框圖

針對逆變電源系統(tǒng)對雙閉環(huán)控制方法、重復(fù)控制方法及復(fù)合控制方法分別進行仿真實驗研究。具體仿真參數(shù)如下：直流母線電壓為 24V；經(jīng)過單相全橋逆變電路，升壓變壓器和輸出濾波器后，變?yōu)轭~定輸出電壓為 220V的交流電；額定輸出電壓頻率為 50Hz，濾波電感、電容分別為 L=1mH和 C=40μF，濾波電感等效串聯(lián)電阻為0.1Ω，濾波電容等效串聯(lián)電阻為 0.01Ω；仿真時間 0.1s。仿真實驗結(jié)果如圖6所示，圖中U0為輸出電壓，Uref為參考電壓，I0為輸出電流。

圖6（a）和圖6（b）分別為Kv=2，Ki=3時的仿真實驗曲線。從圖中可以看出，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度較快，但穩(wěn)態(tài)誤差較大。對參數(shù)進一步進行調(diào)整，取Kv=6，Ki=8，此時仿真實驗曲線如圖6（c）和圖6（d）所示，由圖可知穩(wěn)態(tài)誤差仍較大。圖6（e）、圖6（f）為重復(fù)控制方法的仿真實驗曲線，從圖中可以看出，采用重復(fù)控制方法雖然穩(wěn)態(tài)誤差小，卻存在動態(tài)響應(yīng)速度慢的不足，控制作用滯后一個周期。因此可以將雙閉環(huán)控制方法和重復(fù)控制方法相結(jié)合，優(yōu)勢互補，如圖6（g）和圖6（h）響應(yīng)曲線，可以看出，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度以及穩(wěn)態(tài)誤差的性能都得到大大改善。

圖6　仿真實驗研究曲線圖

5　結(jié)論

本文分別對逆變電源系統(tǒng)雙閉環(huán)控制方法及重復(fù)控制方法進行了研究，構(gòu)建了逆變電源系統(tǒng)復(fù)合控制器。通過仿真實驗研究驗證了所研究的復(fù)合控制方法的有效性，結(jié)果表明復(fù)合控制方法綜合了雙閉環(huán)控制方法和重復(fù)控制方法的優(yōu)點，具有動態(tài)響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點。

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地鐵供電系統(tǒng)電能質(zhì)量控制系統(tǒng)及方法

近日，國家知識產(chǎn)權(quán)局公布專利“地鐵供電系統(tǒng)電能質(zhì)量控制系統(tǒng)及方法”，申請人為國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司。本發(fā)明提供一種地鐵供電系統(tǒng)電能質(zhì)量控制系統(tǒng)和方法，包括采集裝置，用于采集高壓側(cè)和低壓側(cè)的電壓和電流；有源濾波器，用于根據(jù)采集到的電壓和電流，計算得到諧波電流補償值和無功電流補償值，所述諧波電流補償值等于高壓側(cè)的諧波電流分量與低壓側(cè)的諧波電流分量之和的相反數(shù)，所述無功電流補償值等于高壓側(cè)的無功電流分量與低壓側(cè)的無功電流分量之和的相反數(shù)。

監(jiān)控裝置用于根據(jù)所述諧波電流補償值、所述無功電流補償值和所述有源濾波器的額定容量，確定所述有源濾波器的工作模式；還用于根據(jù)所述有源濾波器的工作模式、所述諧波電流補償值和所述無功電流值生成電流補償指令并發(fā)送至所述有源濾波器。

Study on Composite Control Method of Inverter Power Supply System

Wang Yuenan1Xu Peng1Guo Jinnan2Zhao Bin1
（1. Changchun University of Technology College of Electrical and Electronic Engineering，Changchun 130012；2. Siping Fire Detachment of Jinlin Province， Siping， Jijlin 136000）

In this paper， the work principle of dual-loop control method and repetitive control method was studied in details. According to its control characteristics integration， the inverter power supply system compound control model was established. A compound control method based on double closed loop control and repetitive control method of the inverter power supply system was proposed. The experimental results was shown that the compound control method has fast dynamic response， small steady-state error characteristics， achieve the desired effect on the inverter power supply system composite control.

invert； dual-loop control； repetitive control； compound control

吉林省科技發(fā)展計劃項目資助（20140204026GX）

王越男（1992-），女，吉林省遼源市人，長春工業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向為復(fù)雜系統(tǒng)建模、優(yōu)化與控制。