單相逆變電路單環(huán)與雙環(huán)控制的仿真實(shí)驗(yàn)研究

李文娟, 繩　燕, 吳天強(qiáng), 于長勝

(哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱　150080)

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單相逆變電路單環(huán)與雙環(huán)控制的仿真實(shí)驗(yàn)研究

李文娟, 繩燕, 吳天強(qiáng), 于長勝

(哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱150080)

為使逆變電路具有更高的控制精度和更強(qiáng)的帶負(fù)載及抗負(fù)載擾動能力,研究采用閉環(huán)控制的單相逆變電路。設(shè)計了電壓單環(huán)和電壓電流雙環(huán)兩種控制方案的控制器,并采用極點(diǎn)配置法確定相關(guān)參數(shù)。利用Simulink仿真模型對比分析了在非線性負(fù)載和突變負(fù)載情況下單環(huán)與雙環(huán)控制的逆變輸出電壓和電流的波形。結(jié)果表明:雙環(huán)控制下單相逆變電路電壓變化率小、諧波含量少,具有更好的帶負(fù)載及抗負(fù)載擾動能力。

逆變電路； 單環(huán)控制； 雙環(huán)控制； 極點(diǎn)配置法

電力電子技術(shù)在一般工業(yè)、電力系統(tǒng)、交通運(yùn)輸、通信系統(tǒng)以及新能源系統(tǒng)等方面有著廣泛應(yīng)用[1]。電力電子技術(shù)課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課,其中單相逆變電路是重要的課程內(nèi)容[2]。

高質(zhì)量的逆變電路要求輸出波形穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)響應(yīng)快。開環(huán)控制的逆變器難以達(dá)到這兩方面的要求,而閉環(huán)控制的逆變器精度高、輸出電壓電流可控、受系統(tǒng)參數(shù)變化影響小[3],因此閉環(huán)控制是逆變電路研究的重要方向。目前較為成熟、控制效果較好的控制方案有電壓單環(huán)PID控制、電壓電流雙環(huán)控制、重復(fù)控制、無差拍控制等。電壓單環(huán)PID控制是較為傳統(tǒng)的控制,而電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案是高性能逆變電源的發(fā)展方向之一[4-5]。

比較單環(huán)和雙環(huán)兩種控制方案的輸出電壓、電流波形,可以直觀地看出這兩種控制方案的優(yōu)劣。但是,通過硬件實(shí)驗(yàn)得到逆變電路輸出波形費(fèi)時且危險;而借助于仿真實(shí)驗(yàn)則可以方便地得到輸出波形[6],有利于學(xué)生掌握逆變電路工作原理和閉環(huán)控制方法。本文基于Simulink仿真實(shí)驗(yàn)平臺分析比較單相逆變電路的兩種閉環(huán)控制方案的控制性能,通過實(shí)驗(yàn)分析,幫助學(xué)生理解閉環(huán)控制思想,更好地提高電力電子技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量。

1　控制方案設(shè)計

1.1控制策略設(shè)計

單環(huán)控制和雙環(huán)控制是單相逆變電路閉環(huán)控制最常用的兩種方式。單環(huán)控制以交流側(cè)瞬時電壓為被控對象；雙環(huán)控制為電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制[7-8],其中電流環(huán)分為電感電流環(huán)和電容電流環(huán)。對于電感電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)控制系統(tǒng),負(fù)載電流作為逆變器的外部擾動信號處在電流內(nèi)環(huán)之外,因此控制系統(tǒng)對負(fù)載擾動的抑制能力較差,造成逆變器的動態(tài)性能不理想[9]。而電容電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)控制系統(tǒng)的電容電流被瞬時控制,使得輸出電壓因電容電流的微分作用而提前得到矯正,因此它抗負(fù)載擾動能力強(qiáng)、動態(tài)性能好,但是不能通過限流實(shí)現(xiàn)對逆變器的保護(hù)[10]。

為了解決上述問題,綜合兩種控制方案,采用帶負(fù)載電流前饋的電感電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙環(huán)控制方案,其控制框圖如圖1所示。

圖1　單相逆變電路雙環(huán)控制框圖

電壓指令u*與輸出電壓uo作差，經(jīng)過電壓控制器Gv(s)生成電流指令i*,再與電感電流iL作差并結(jié)合負(fù)載電流io，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器Gi(s)后送入脈寬調(diào)制

模塊生成PWM信號,經(jīng)驅(qū)動電路后控制逆變電路開關(guān)管工作。

uab是直流母線電壓Ud經(jīng)逆變橋PWM調(diào)制后輸出的高頻矩形波,uo是經(jīng)過濾波器輸出的交流正弦波,r為濾波電感等效串聯(lián)電阻、線路電阻以及死區(qū)等其他雜散阻尼因素的綜合,io、iL、iC分別是負(fù)載輸出電流、電感電流、電容電流，Gv(s)、Gi(s)分別是電壓環(huán)和電流環(huán)的控制器,u*為電壓指令,i*為電流指令。

單相逆變電路的單環(huán)控制比雙環(huán)控制少了電流環(huán),控制框圖與圖1類似,不同的地方是控制回路只有一個電壓環(huán),這里不再重復(fù)給出。

1.2控制器參數(shù)設(shè)計

目前逆變電路的控制方案多種多樣,例如重復(fù)控制、無差拍控制等。由于PID控制算法簡單、易于控制、魯棒性能好、控制精度高,能同時保證控制系統(tǒng)有很好的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)性能,因而是目前逆變電路最通用的控制技術(shù)[11]。本文仿真實(shí)驗(yàn)中,單相逆變電路電壓單環(huán)控制采用PID控制器；在雙環(huán)控制中,內(nèi)環(huán)電流指令的準(zhǔn)確度依賴于外環(huán)電壓差的調(diào)節(jié)。為了準(zhǔn)確跟蹤電壓指令,電壓外環(huán)采用PI控制器,電流內(nèi)環(huán)也采用PI控制器代替P控制器,可進(jìn)一步增強(qiáng)雙環(huán)控制的抗負(fù)載電流擾動能力。

為兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能與動態(tài)性能,采用極點(diǎn)配置法設(shè)計PID控制器的參數(shù)。極點(diǎn)配置法是一種經(jīng)典的控制系統(tǒng)設(shè)計方法,中心思想是將閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)配置到預(yù)先規(guī)定的位置上,使其滿足穩(wěn)定性和控制性能的要求。雙環(huán)控制參數(shù)確定的方法[12]如下。

設(shè)電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制器傳遞函數(shù)表示為:

(1)

根據(jù)圖1可以求出輸出電壓的閉環(huán)傳遞函數(shù),將式(1)代入可以求得單相逆變電路電壓電流雙環(huán)控制的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

(2)

其閉環(huán)特征方程為:

D(s)=LCs3+(rC+K2pC)s2+

(3)

雙環(huán)控制的閉環(huán)特征方程(3)是四階方程,存在兩個非主導(dǎo)極點(diǎn)。假設(shè)其非主導(dǎo)極點(diǎn)分別為

通常m、n取值范圍5～10,此處取n=10,m=8。主導(dǎo)極點(diǎn)為

系統(tǒng)理想的特征方程為

(4)

將此理想特征方程展開,與(3)式比較,使它們逐項(xiàng)相等,并取ζ=0.7,ωn=7 100 rad/s,可得K1p= 1.137,K1i=420,K2p=298,K2i=587 500,則電壓電流雙環(huán)的控制器可表示為:

(5)

在單相逆變電路電壓單環(huán)控制方案中,閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程為三階,同樣列出系統(tǒng)的理想特征方程,與電壓單環(huán)控制方案的特征方程逐項(xiàng)對比,可以求得其PID控制器的參數(shù)為Kp= 13.5,Ki=51 125,Kd=0.001 3,則電壓單環(huán)的控制器可表示為:

(6)

極點(diǎn)配置法只為控制器參數(shù)的選取確定了大體方向,并不一定是最佳參數(shù)。當(dāng)用極點(diǎn)配置法配置出PID控制器參數(shù)后,再在此基礎(chǔ)上微調(diào)參數(shù),使逆變電路輸出電壓波形達(dá)到最好。

2　建立仿真模型

為了探究單相逆變電路兩種控制方案的控制性能優(yōu)劣,基于Simulink仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)。

在Simulink仿真實(shí)驗(yàn)平臺上分別構(gòu)建單相逆變電路的電壓單環(huán)和電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型。電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。圖2中Subsystem是控制子系統(tǒng),PWMcreate是PWM波生成的子系統(tǒng),load是負(fù)載。電壓單環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型與電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型相似,不同之處在于控制子系統(tǒng)。其中電壓單環(huán)的控制子系統(tǒng)是電壓指令與輸出電壓的差值經(jīng)過PID控制器生成調(diào)制波送入PWM波形生成模塊；而電壓電流雙環(huán)的控制子系統(tǒng)是電壓外環(huán)生成電流指令,電流內(nèi)環(huán)生成調(diào)制波。這里不再重復(fù)給出電壓單環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型。兩仿真模型的PWM波形生成子系統(tǒng)模型如圖3所示。負(fù)載分為線性負(fù)載和非線性負(fù)載,仿真模型模擬了單相逆變電路帶電容的二極管整流性負(fù)載和突變負(fù)載時的工作情況,其中突變負(fù)載模型如圖4所示。

圖2　電壓電流雙環(huán)控制仿真模型

圖3　PWM波生成子系統(tǒng)

圖4　突變負(fù)載模型

3　仿真結(jié)果及分析

在上述兩種控制方案的仿真模型中選取如表1所示的仿真參數(shù),可以得到不同負(fù)載下的仿真波形。

表1　單相逆變電路仿真參數(shù)表

在用極點(diǎn)配置法求得的控制器參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào),使輸出電壓和電流效果最佳。當(dāng)負(fù)載為帶電容的二極管整流性非線性負(fù)載時,兩種控制方案的輸出電壓電流波形如圖5所示。

由圖5可見,電壓電流雙環(huán)控制的單相逆變電路輸出電壓、電流波形更穩(wěn)定、諧波含量更少。從仿真運(yùn)行結(jié)果可以得到:電壓電流雙環(huán)控制的單相逆變電路輸出電壓有效值Uo=227.7V,電壓變化率為3.5%,總諧波畸變率THD=2.3%；電壓單環(huán)控制的單相逆變電路輸出電壓有效值Uo=226.5V,電壓變化率為3%,THD=7.84%。這說明單相逆變電路電壓電流雙環(huán)控制比電壓單環(huán)控制帶非線性負(fù)載能力強(qiáng),輸出電壓電流波形效果更好。綜上所述,帶非線性負(fù)載時電壓電流雙環(huán)控制優(yōu)于電壓單環(huán)控制。

為檢驗(yàn)兩種控制方案抗負(fù)載擾動能力,對突變負(fù)載的情況進(jìn)行仿真。仿真開始時為空載,0.025s時加入半載,0.045s時加入滿載。兩種控制方案在負(fù)載變化時的動態(tài)響應(yīng)如圖6所示。為觀察方便,圖中電流波形放大了20倍。

由圖6可見,電壓電流雙環(huán)控制的單相逆變電路輸出電壓波形比較理想,電流波形在負(fù)載突變時有輕微的振蕩,但是很快回穩(wěn)。電壓單環(huán)控制的單相逆變電路輸出電壓波形從第二個周期開始不穩(wěn)定,諧波含

圖5　非線性負(fù)載時輸出電壓電流波形

圖6　突變負(fù)載時輸出電壓電流波形

量增加,電流波形始終振蕩嚴(yán)重,響應(yīng)時間慢。滿載時,電壓電流雙環(huán)控制的單相逆變電路輸出電壓有效值Uo=219.9V,電壓變化率為-0.05%,THD=0.08%；電壓單環(huán)控制的單相逆變電路輸出電壓有效值Uo=224.5V,電壓變化率為2%,THD=2.5%。這表明負(fù)載突變時單相逆變電路電壓電流雙環(huán)控制比電壓單環(huán)控制輸出的電壓電流波形效果更好、動態(tài)響應(yīng)更快。

4　結(jié)束語

通過Simulink仿真實(shí)驗(yàn),對比了單相逆變電路電壓電流雙環(huán)和電壓單環(huán)兩種控制方案。從兩種控制方案帶非線性負(fù)載和帶突變負(fù)載的輸出電壓電流波形及電壓指標(biāo)可以看出,單相逆變電路在電壓電流雙環(huán)控制下的輸出電壓電流波形效果、動態(tài)響應(yīng)速度以及電壓指標(biāo)均優(yōu)于電壓單環(huán)控制。借助Simulink仿真實(shí)驗(yàn)平臺輔助逆變電路教學(xué),不但仿真波形的獲取容易、準(zhǔn)確,更能直觀地觀察到不同控制方案對逆變電路輸出波形的影響,對指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)閉環(huán)控制的思想、使學(xué)生更深入地掌握逆變電路工作原理有重要的作用。

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Studyonsimulationexperimentofsingle-loopanddouble-loopcontrolofsingle-phaseinvertercircuit

LiWenjuan,ShengYan,WuTianqiang,YuChangsheng

(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150080,China)

Fortheinvertercircuit’shighercontrolprecisionandstrongerloadingandantiloaddisturbancecapacity,theclosed-loopcontrolofsingle-phaseinverterisstudied.Takingtwocontrolschemesofvoltagesingle-loopandvoltagecurrentdouble-loop,thecontrollersofthesetwoschemesaredesignedandthecorrespondingparametersaredeterminedbythepoleassignmentmethod.Thesimulationmodelsofsingle-loopanddouble-loopcontrolsystemwithsingle-phaseinvertercircuitarebuiltintheSimulinksimulationplatform.Thewaveformsoftheoutputvoltageandcurrentofthesingle-loopanddouble-loopcontrolundertheconditionofnonlinearloadandmutationloadarecomparedandanalyzed.Thesimulationresultsshowthatunderthedouble-loopcontrolthevoltagechangerateofsingle-phaseinvertercircuitissmall,andtheharmoniccontentislow,whichhasbetterloadingandantiloaddisturbancecapability.

invertercircuit；singleloopcontrol；doubleloopcontrol；poleplacementmethod

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.027

2015-11-21

黑龍江省學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革資助項(xiàng)目(JGXM_HLJ_2015060)

李文娟(1968—),女,黑龍江哈爾濱,博士,教授,主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮友b置與系統(tǒng)和成像質(zhì)量評價.

TM464

A

1002-4956(2016)7-0114-04

虛擬仿真技術(shù)探索與實(shí)踐