基于前饋解耦的三相逆變器雙環(huán)控制器設(shè)計(jì)

王冶滔 ，方芳 ， 田磊 ， 厲孟 ， 張焱冰 ， 謝楨

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基于前饋解耦的三相逆變器雙環(huán)控制器設(shè)計(jì)

王冶滔1，方芳1， 田磊2， 厲孟3， 張焱冰1， 謝楨1

（1．海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033；2. 海軍大連地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，遼寧大連 116041；3.海軍駐青島造船廠軍事代表室，山東青島 266005)

建立了兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下三相逆變器數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了其電壓電流雙環(huán)控制方案。為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及抗擾能力，在電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)中引入了前饋控制和解耦控制，并由此提出該控制器的設(shè)計(jì)方法，通過40kVA樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，該控制器具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

三相逆變器 前饋控制 解耦控制

0 引言

電壓電流雙閉環(huán)控制逆變器具有良好的穩(wěn)定性、可靠性，在逆變器中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-4]，按電流內(nèi)環(huán)反饋量的不同，雙閉環(huán)控制可以分為兩類：一類是以電容電流為反饋量，此類控制方案對(duì)負(fù)載擾動(dòng)電流的抑制能力較強(qiáng)，但是無法實(shí)現(xiàn)軟件限流功能；一類是以電感電流為反饋量，此類控制方案可以通過軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)電感電流的限流，但是此方案對(duì)負(fù)載擾動(dòng)電流的抑制能力則不如前者。為兼得兩類方案的優(yōu)點(diǎn)，可在以電感電流為內(nèi)環(huán)反饋量的方案中加入負(fù)載電流前饋補(bǔ)償，由于電壓環(huán)包含了負(fù)載電流前饋，電流環(huán)包含了輸出電壓前饋，因此有效地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及抗擾能力。由于在dq坐標(biāo)系下，旋轉(zhuǎn)3/2變換在系統(tǒng)的d軸和q軸之間引入了強(qiáng)耦合，為此還需要加入了d軸和q軸的解耦控制。本文提出了一種基于前饋解耦的三相逆變器雙環(huán)控制器設(shè)計(jì)方法，通過40kVA實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，按照該方法設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在負(fù)載突變的情況下能實(shí)現(xiàn)快速的跟蹤。

1 三相逆變器數(shù)學(xué)模型

根據(jù)KVL定理，可得如下的狀態(tài)方程[5]

d軸

q軸

由式（2）可得三相逆變器LC濾波器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的模型框圖如圖2所示：

2 三相逆變器雙環(huán)控制

從圖2所示的LC濾波器的在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可以看出，旋轉(zhuǎn)3/2變換在系統(tǒng)的d軸和q軸之間引入了強(qiáng)耦合[6]，為此采用前饋解耦的雙環(huán)控制策略，整體控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中圖（a）為整體控制框圖，為了方便雙環(huán)控制參數(shù)設(shè)計(jì)可將圖（a）的d軸控制器簡(jiǎn)化為圖（b）所示。

2.1電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)

引入負(fù)載電流前饋和電容電壓前饋解耦后，由系統(tǒng)控制框圖3可以得到電流內(nèi)環(huán)控制框圖，如圖4所示。

為簡(jiǎn)化分析，將PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)寫成零極點(diǎn)的形式，即：

由于采樣保持環(huán)節(jié)的存在，給反饋信號(hào)帶來了延遲，為了平衡這一延遲，在給定信號(hào)通道中，加入相同的延遲環(huán)節(jié)，進(jìn)行滯后校正。實(shí)際上就是要求反饋電流信號(hào)檢測(cè)和無功指令電流信號(hào)檢測(cè)相一致。因此其電流內(nèi)環(huán)環(huán)的結(jié)構(gòu)形式，如圖15(a)所示，等效為如圖15(b)。

可得電流內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中采用與仿真的參數(shù)，實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示，可以看出，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)性能好，驗(yàn)證了本文控制參數(shù)整定方案的正確性。

4 結(jié)論

本文基于標(biāo)幺值和前饋解耦設(shè)計(jì)了40 kW三相逆變器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用前饋解耦的三相逆變器輸出電壓波形畸變率小，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，指令跟蹤能力強(qiáng)，負(fù)載突變對(duì)輸出電壓的影響小。

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[3] 譚國成. 基于PWM的蓄電池充放電裝置的研究與設(shè)計(jì)[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2011.

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[6] Yaramasu V， Wu B， Rivera M，et al． Cost-function based predictive voltage control of two-level four-leg inverters using two step prediction horizon for standalone power systems[C] // Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC)． Florida， USA：IEEE， 2012：128 - 135．

Design of Double-loop Controller for Three-phase Inverter Based on Feed-forward Decoupling Control

Wang Zhitao1, Fang Fang1, Tian Lei2, Li Meng3, Zhang Yanbing1, Xie Zhen1

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033; 2. Navy Dalian Area Equipment Maintenance Supervisor, Dalian 116041, Liaoning, China; 3. Military Representatives Office of Navy in Qingdao Shipbuilding Factory, Qingdao 266005, Shandong, China)

TM464

A

1003-4862（2015）01-0077-04

2014-07-25

王冶滔(1980-), 男，碩士生。研究方向：電氣工程電機(jī)與電器。