單相逆變器新型雙閉環(huán)控制算法的研究

董釗，王躍龍，林瓊斌

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108)

1 引言

逆變器是UPS、感應電源、交流調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量好，動態(tài)響應快?？箶_能力強等特點［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］。

為了使逆變器的動穩(wěn)態(tài)輸出特性較好，專家學者相繼提出了單周期控制、無差拍控制、智能控制等算法。本文研究了一種應用在單相逆變器控制中的新型雙閉環(huán)控制算法，內環(huán)采用無差拍控制方法，可以大大改善被控對象的動態(tài)特性，使被控對象的動態(tài)響應快、動態(tài)性能變得極佳［4－8］;外環(huán)采用三輸入單神經元自適應PID控制算法，該算法不僅可以使輸出電壓穩(wěn)定在設定值上，同時還可以抑制輸出電壓的畸變。這兩種控制算法的結合，可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，互補不足，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)控制策略是內環(huán)控制電流，外環(huán)控制電壓［9］。電流內環(huán)能夠擴大逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，使逆變器動態(tài)響應加快，輸出電壓的諧波含量減小［10］。電壓外環(huán)能夠穩(wěn)定輸出電壓，將負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，取負載的輸出電壓反饋信號與參考電壓進行比較，通過單神經元自適應PID控制模塊，將其處理為電流內環(huán)的參考信號，再與輸出電感電流反饋信號相比較，得到誤差信號，經無差拍控制模塊，最終得到PWM的給定信號。

3 雙環(huán)控制系統(tǒng)建模

基于LC濾波的單相離網逆變器拓撲結構如圖2所示，其中為iL電感電流，iC為電容電流，io為負載電流，uo為輸出電壓;R為逆變器負載電阻，ui為逆變橋側的輸出電壓，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 單相離網逆變器拓撲結構圖

針對電流內環(huán)反饋，根據基爾霍夫定律，可列出連續(xù)時域系統(tǒng)中的電路方程如下:

在一個采樣周期內，將式(1)進行離散化，可得:

式中，T為離散采樣時間。

電流內環(huán)采用無差拍控制策略，需要實現系統(tǒng)在第K+1時刻跟蹤上參考電流，則令

其中，iref為參考電流，即電壓外環(huán)的輸出信號。

電壓外環(huán)采用改進的單神經元自適應PID控制器，該控制器是傳統(tǒng)PID控制器與神經網絡相結合而產生的一種改進型控制方法，是通過對加權系數的調整來實現自適應、自組織功能［11］。通過有監(jiān)督的Hebb學習規(guī)則來實現權系數的更新。三輸入單神經元自適應PID控制的結構如圖3所示。

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

x1(k)=yref(k)－y(k)=e(k)

圖3 單神經元自適應PID控制的結構圖

改進型的單神經元自適應控制算法及學習算法為:

式中，nI、nP、nD分別為積分、比例、微分的學習速率，K為神經元的比例系數，K＞0。該PID控制器學習算法的運行效果與可調參數nI、nP、nD、K等的選取關系密切。準確參數通過參閱文獻［12］，以及大量實例仿真和實控結果得出，這里不再贅述。

根據以上分析，最終得到的逆變器開關管占空比為:

4 算法Simulink建模仿真分析

運用Matlab/Simulink實現仿真和代碼生成。逆變直流側電壓取250V，阻性負載取R=55Ω，載波頻率fC=20kHz，逆變器有效輸出110V/50Hz。根據相關計算，取采樣時間 T為0.1ms，LC濾波器參數為 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行了仿真，仿真如圖4所示。

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

圖4 阻容性負載時，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，在接純阻性負載時，輸出電壓的THD為0.25%;接阻感性負載時，輸出電壓的THD為0.35%;接阻容性負載時，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。隨后對逆變器的動態(tài)特性進行仿真研究。當接純阻性負載時，在0.02s時阻性值由55突然減少一半，到0.04s時，再由一般阻值突變到55。此時負載兩端電壓波形和FFT分析圖如圖8所示(為了便于輸出電壓與負載電流易于比較，使輸出電壓縮小10倍)。

圖8 突變時，負載兩端電壓波形和電流比較圖

圖9 突變時，3個周期內的負載兩端電壓FFT分析圖

可見，在該控制算法下，當阻性負載突變時，調節(jié)時間幾乎為0，且在突變的3個周期內，輸出電壓的THD為0.19%，說明該算法具有很好的動態(tài)響應性能。

顯然，通過對該逆變器新型雙環(huán)控制算法在Matlab/Simulink平臺下的建模仿真，結果顯示具有良好的動靜態(tài)性能，滿足相關要求。

5 結論

研究了新型數字雙閉環(huán)控制算法在單相逆變器控制中的應用。仿真結果表明，采用該新型雙閉環(huán)控制算法的逆變器具有優(yōu)良的動靜態(tài)性能，并且算法結構簡單，編程易于實現。

［1］王兆安，黃俊.電力電子技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

［2］王川川，朱長青，顧闖.逆變器雙環(huán)控制算法仿真研究［J］.電子設計工程，2011，19(4):78 －81.

［3］梁超輝，劉邦銀，段善旭.基于濾波電容電流補償的并網逆變器控制［J］.電力電子技術，2008，42(8):13 －15.

［4］謝力華，蘇彥民.正弦波逆變電源的數字控制技術［J］.電力電子技術，2001，35(6):52 －55.

［5］Malesani L，Mattavelli P，Buso S.Robust dead-beat current control for PWM rectifiers and active filters［J］.IEEE Trans lnd Applieat，1999，35(3):613－620.

［6］Kawabata T，Miyashita T，Amamoto Y.Dead beat control of three phase PWM inverter［J］.IEEE Tram Power Electron，1990，6(5):2l－ 28.

［7］Loannou P A，Sun J.Robust adaptive control［M］.Upper Saddle River，NJ:Prentice － Hall，1996.

［8］李桂梅，戴瑜興，易龍強.無差拍控制策略在數字化UPS逆變系統(tǒng)中的應用［J］.控制工程，2009，16(2):159 －161.

［9］楊會敏，宋建成.基于雙環(huán)控制的單相電壓型PWM逆變器建模與仿真［J］.電氣傳動自動化，2009，31(1):15 －18.

［10］陳瑞，周梁，韋忠朝.基于雙環(huán)控制的PWM逆變器的研究［J］.通信電源技術，2006，23(1):19 －21.

［11］洪巧文，蔡逢煌，戴永輝，等.光伏發(fā)電系統(tǒng)的新型雙閉環(huán)控制算法研究［J］.電源學報，2012.

［12］張學燕，張建峽.單神經元自適應PID控制器的研究及其MATLAB 仿真［J］.自動化技術與應用，2007，26(9):52－53.