吳玉良，王 凱，王成悅，趙藝?yán)祝煳谋?/p>

（合肥同智機(jī)電控制技術(shù)有限公司，安徽 合肥 236000）

0 引 言

隨著社會(huì)科技的進(jìn)步，逆變器的應(yīng)用越來越廣。因此對(duì)于整體性能有著更高的需求，要求系統(tǒng)輸出電壓具有良好的穩(wěn)定性、響應(yīng)的快速性以及優(yōu)良的精確性。為了符合系統(tǒng)的性能要求，則需將多種控制算法結(jié)合形成復(fù)合控制應(yīng)用于整個(gè)系統(tǒng)。

逆變器系統(tǒng)應(yīng)用主要由單級(jí)和兩級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)組成，其中單級(jí)逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元器件使用較少，但是單級(jí)系統(tǒng)一般沒有電氣隔離，存在一定的安全隱患。兩級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)有很多種，本文采用的是前級(jí)推挽結(jié)構(gòu)串聯(lián)后級(jí)全橋逆變電路。該結(jié)構(gòu)具有輸入范圍較寬，同時(shí)輸入輸出具有電氣隔離，以及前后級(jí)可以進(jìn)行功率解耦，分別控制等優(yōu)點(diǎn)[1]。

本文主要包括4個(gè)部分：首先，闡述了兩級(jí)逆變器系統(tǒng)的工作原理；其次，設(shè)計(jì)了雙環(huán)控制策略和重復(fù)控制器，并且搭建整個(gè)逆變器系統(tǒng)Simulink仿真模型；然后，系統(tǒng)在不同控制策略下仿真分析對(duì)比；最后，將復(fù)合控制算法應(yīng)用在基于TMS320F28069芯片的2 kW逆變器系統(tǒng)中，進(jìn)一步驗(yàn)證其控制算法的正確性。

1 二級(jí)逆變器系統(tǒng)原理

二級(jí)逆變器系統(tǒng)是由前級(jí)推挽結(jié)構(gòu)串聯(lián)后級(jí)逆變電路組合而成的，其中系統(tǒng)框圖如圖1所示。本文中的直流輸入電壓是20～30 V可變的，然后經(jīng)過推挽變壓器升壓，再進(jìn)行二極管整流后給母線電容充電。得到穩(wěn)定母線電壓傳輸給逆變器作為輸入源，經(jīng)過全橋逆變后再進(jìn)行LC濾波進(jìn)而得到220 V/50 Hz正弦交流輸出。

圖1 逆變器系統(tǒng)框圖

其中逆變器采用單極性正弦脈沖調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）的發(fā)波方式，由4個(gè)MOS管組成低頻橋臂和高頻橋臂。低頻橋臂是以50 Hz的頻率兩個(gè)MOS管交替導(dǎo)通，而高頻橋臂是MOS管開關(guān)頻率上下兩管交替導(dǎo)通，且導(dǎo)通的占空比隨著正弦信號(hào)變化。為了防止兩組上下橋臂直通，則每組相互導(dǎo)通的MOS管必須留有一定的死區(qū)時(shí)間。單極性SPWM控制方式由于存在低頻橋臂，這樣就會(huì)減小MOS管開通和關(guān)斷損耗。

2 復(fù)合控制策略設(shè)計(jì)

2.1 雙環(huán)控制策略設(shè)計(jì)

本文采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成的雙環(huán)控制系統(tǒng)，其中外環(huán)控制輸出電壓的幅值，內(nèi)環(huán)基準(zhǔn)給定是外環(huán)輸出，這樣內(nèi)環(huán)可以起到輸出限流的目的，同時(shí)加快系統(tǒng)響應(yīng)速度[2]。整個(gè)系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

由圖2可知，外環(huán)給定參考電壓與輸出反饋電壓進(jìn)行比較作差，經(jīng)過電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器后輸出即作為電流內(nèi)環(huán)的給定值，同時(shí)為了防止輸出電流出現(xiàn)擾動(dòng)信號(hào)，所以將負(fù)載電流作為前饋補(bǔ)償?shù)诫妷涵h(huán)中，這樣改善了系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)能力。電流環(huán)得到給定值后與反饋的電感電流進(jìn)行比較作差，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后輸出值與三角載波進(jìn)行比較得到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其中在電流環(huán)中也將輸出電壓作為前饋環(huán)節(jié)補(bǔ)償?shù)诫娏鳝h(huán)PI輸出中，同樣提高了電流環(huán)的抗干擾能力[3]。

圖2 雙環(huán)控制流程圖

根據(jù)上述逆變器的原理圖，可得到系統(tǒng)的狀態(tài)方程如式（1）[4]所示：

式中，r為電感的內(nèi)阻，通過整理可得當(dāng)系統(tǒng)空載時(shí)（R→∞）的傳遞函數(shù)如式（2）：

當(dāng)系統(tǒng)加入電壓環(huán)和電流環(huán)進(jìn)行控制時(shí)，由圖1整個(gè)系統(tǒng)框圖可得出系統(tǒng)在輸入是正弦參考電壓信號(hào)時(shí)閉環(huán)傳遞函數(shù)分別如式（3）所示：

式中，kvp,kvi,kip,kip分別表示電壓環(huán)的比例和積分系數(shù)以及電流環(huán)的比例和積分系數(shù)；L,C,r分別表示逆變器濾波電感電容還有電感的內(nèi)阻。將具體參數(shù)設(shè)計(jì)代入式（3）中，可得如下傳遞函數(shù)：

2.2 重復(fù)控制

重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制方式，主要針對(duì)一些周期性的擾動(dòng)進(jìn)行抑制，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高精度的穩(wěn)態(tài)輸出。由于重復(fù)控制是檢測(cè)到系統(tǒng)在一個(gè)周期的某個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)擾動(dòng)信號(hào)，則認(rèn)定在下個(gè)周期的相同時(shí)刻也會(huì)出現(xiàn)同樣的擾動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而對(duì)下個(gè)周期該時(shí)刻的信號(hào)進(jìn)行校正補(bǔ)償[5]。在逆變電源中特別是帶非線性負(fù)載（RCD負(fù)載）時(shí)，輸出波形的諧波分量較大且質(zhì)量較差，采用重復(fù)控制其輸出波形將得到改善。由于重復(fù)控制是在下一個(gè)周期再對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行校正，因此系統(tǒng)將會(huì)延時(shí)一個(gè)周期，這也將導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差[6]。本文將重復(fù)控制和雙環(huán)控制結(jié)合運(yùn)用，使得系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下，既能夠快速響應(yīng)又能夠高精度穩(wěn)態(tài)輸出。重復(fù)控制的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 重復(fù)控制系統(tǒng)框圖

圖3中N表示一個(gè)周期的采樣次數(shù)，Q(z)為低通濾波器，C(z)為重復(fù)控制的補(bǔ)償器。根據(jù)圖3可得到內(nèi)模模型的傳遞函數(shù)和差分方程分別如式（5）所示：

通過仿真分析取Q(z)=0.95，這樣由式（5）可得重復(fù)控制將上一個(gè)周期輸入信號(hào)衰減5%疊加到當(dāng)前周期的誤差信號(hào)中，這樣減小了系統(tǒng)的擾動(dòng)誤差累積過程直到系統(tǒng)穩(wěn)定輸出。圖3中C(z)補(bǔ)償器是重復(fù)控制的核心，針對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行相位和幅值補(bǔ)償校正，從而快速抑制外部擾動(dòng)信號(hào)，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定輸出。為了簡(jiǎn)化數(shù)字控制設(shè)計(jì)，其中C(z)包括重復(fù)控制增益k，相位超前環(huán)節(jié)zk兩部分，如式（6）所示：

逆變器系統(tǒng)中的載波頻率是19.2 kHz，采樣周期也是19.2 kHz，正弦波頻率50 Hz，得到N=384，其中k設(shè)計(jì)為0.125，仿真分析得出相位補(bǔ)償zk=z8。

2.3 系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)上述圖1系統(tǒng)的原理框圖，可搭建系統(tǒng)的Simulink仿真模型如圖4所示，其中逆變器控制部分采用S-Function編寫。

圖4 二級(jí)逆變器系統(tǒng)Simulink仿真模型

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 仿真結(jié)果分析

根據(jù)圖4搭建的Simulink系統(tǒng)模型，利用雙環(huán)控制策略進(jìn)行不同狀態(tài)下的仿真得到波形如圖5所示，并且通過快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）對(duì)額定負(fù)載和整流性負(fù)載輸出電壓波形進(jìn)行分析得到總諧波失真（Totel Harmonic Distortion，THD）分別為2.1%和3.6%。

圖5 不同狀態(tài)系統(tǒng)輸出波形

根據(jù)上述系統(tǒng)模型，對(duì)其采用雙環(huán)控制和重復(fù)控制組合成的復(fù)合控制進(jìn)行仿真分析，得到圖6，并通過FFT進(jìn)行兩種工況對(duì)輸出電壓波形分析得到THD分別為1.07%和2.27%。

圖6 不同狀態(tài)系統(tǒng)輸出波形

通過對(duì)比分析上述波形圖可得到，復(fù)合控制比雙環(huán)控制在額定負(fù)載穩(wěn)態(tài)輸出的情況下電壓輸出的THD更小，動(dòng)態(tài)性能更好。特別是在整流性負(fù)載時(shí)，復(fù)合控制輸出電壓的THD減小很多。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文基于TMS320F28069芯片搭建2 kW逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證仿真結(jié)果，輸入是20～30 V直流電，經(jīng)過推挽升壓到母線電壓，最后通過逆變器控制輸出220 V/50 Hz的正弦交流電。其中逆變器采用復(fù)合控制策略，實(shí)驗(yàn)得到驅(qū)動(dòng)波形以及不同狀態(tài)電壓波形如圖7所示。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，復(fù)合控制策略與仿真的結(jié)果基本一致。

圖7 實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)和不同狀態(tài)輸出電壓電流波形

4 結(jié) 論

通過仿真分析可得，復(fù)合控制在額定負(fù)載和整流性負(fù)載情況下，系統(tǒng)輸出的電壓波形THD相比雙環(huán)控制分別減少了約1%和1.3%。同時(shí)在動(dòng)態(tài)投卸載的過程中，復(fù)合控制也能快速響應(yīng)外部擾動(dòng)。并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果也是基本保持一致的。綜上所述，由雙環(huán)控制和重復(fù)控制形成的復(fù)合控制策略使得系統(tǒng)整體的性能得到了一定的改善，輸出波形的質(zhì)量得到了提高。