基于逆變電源雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的探討

丁星

【摘 要】現(xiàn)在無線通信技術(shù)被廣泛應(yīng)用在各個行業(yè)中，同時電能在其中具有無可替代的作用。為了使電能可以最大化的利用，電力能源要進行能源交換，這個過程是通過電力電子技術(shù)完成的，逆變電源電壓輸出波形主要有三個方面，分別是穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好以及負載適應(yīng)性強，逆變電源為了滿足這個需求設(shè)置了雙閉環(huán)回路。逆變電源雙閉環(huán)系統(tǒng)有很多優(yōu)點，比如節(jié)約能源、減少成本、提高工作質(zhì)量等。

【關(guān)鍵詞】電力電子；逆變電源；雙閉環(huán)回路控制

一、逆變電源控制方法介紹

在現(xiàn)代的社會中，人們追尋在保證質(zhì)量的同時追求速度，電能在各個行業(yè)中都起到了一定的影響，尤其是在石油化工生產(chǎn)中。為了最大化的利用電能，電子能源需要進行能量交換，這個過程是通過電力電子技術(shù)完成的。然后被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，這樣可以有效節(jié)約能源、減少成本、降低環(huán)境污染等。在1964年，有學(xué)者曾提出脈寬調(diào)制變頻的思想，它主要是將電網(wǎng)恒壓恒頻交流電變?yōu)榭勺冸娏?，原理是在PWM逆變器上加入電壓源，這個電壓源是由不可控整流器整流經(jīng)電流濾波形成的，在回路中安裝控制逆變器開關(guān)組件來控制通斷，最后逆變器將直流電逆變成幅值頻率可變的交流電。脈寬調(diào)制方式是決定開關(guān)組件通斷時刻和順序，改變脈寬可調(diào)節(jié)逆變器輸出基波的幅值，改變可調(diào)節(jié)的頻率。我們對電壓瞬時值單環(huán)反饋控制、電流滯環(huán)控制、電壓雙環(huán)反饋控制三種逆變器控制方法作出了分析和探究。

1.電壓瞬時值單環(huán)反饋控制主要是為了解決電壓平均值反饋中存在的問題，換種方式就是采用電壓平均值反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)的動態(tài)反應(yīng)速度比較慢，負載適應(yīng)性也比較差。在系統(tǒng)中采用了電壓瞬時值反饋控制策略，這是為了實現(xiàn)輸出電壓的波形控制。采樣變壓器會減低逆變器輸出的電壓值，讓系統(tǒng)的電壓始終保持在平均值上下。輸出電壓和給定電壓之間會存在或大或小的誤差，產(chǎn)生的誤差會經(jīng)過PI電壓調(diào)節(jié)器，輸出信號與正弦信號通過相關(guān)的計算來調(diào)整信號的幅值，所得的結(jié)果被作為某些數(shù)據(jù)的基準，比如瞬時值反饋。另一路輸出中，產(chǎn)生的誤差信號與三角波載波進行比較，得到最終的SPWM，SPWM被當做控制性，用來驅(qū)動IG-BT開關(guān)。

2.電流滯環(huán)控制。電流反饋控制與電壓反饋控制相比，電流反饋控制的方式較為新穎。電流控制方法是以電壓控制策略為基礎(chǔ)，解決一些電壓控制策略不能完成的問題，比如電源系統(tǒng)輸入輸出電流的可控性。滯環(huán)電流控制方式有四個特點分別是系統(tǒng)對于瞬時值反饋的速度比較快，穩(wěn)定性比較高，容易防止變壓器偏磁現(xiàn)象，開關(guān)頻率不固定。

3.電壓電流雙環(huán)反饋控制。電壓外環(huán)采用瞬時值反饋，然后接收輸出電壓的瞬時誤差，讓系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)信號。調(diào)節(jié)信號需要經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，信號在經(jīng)過調(diào)節(jié)后作為電流控制給定。電流的內(nèi)環(huán)比較的產(chǎn)生誤差信號是來源于電感電流瞬時值和電流給定值，然后誤差信號與三角波載波進行比較，最后產(chǎn)生SPWM信號。因此，設(shè)置電壓電流雙環(huán)反饋控制的目的在于可以實現(xiàn)電流幅值的自動控制，在不同負載的情況下，系統(tǒng)對電流的給定值進行自我調(diào)節(jié)，這就是電流幅值可控。

中小功率單相并網(wǎng)逆變器中一般來說輸出濾波器的電容比較小，所以可以考慮采用雙環(huán)控制策略，這種控制策略比較簡單。其中并網(wǎng)逆變器的直流電壓外環(huán)采用的是pi調(diào)節(jié)器，通過穩(wěn)定直流側(cè)電壓來實現(xiàn)逆變器輸入和輸出能量的平衡。電流內(nèi)環(huán)的電流幅值參考值由外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出指定外環(huán)調(diào)節(jié)器使直流電壓，通過檢測可以得出電網(wǎng)電壓的相位角，經(jīng)過一系列計算，可以得出瞬時輸出電流的參考信號。電流內(nèi)環(huán)采用的也是PI調(diào)節(jié)器，與外環(huán)相比采用的pi調(diào)節(jié)器較為簡單，這種調(diào)節(jié)器可以實現(xiàn)電流的快速控制。因為有電網(wǎng)電壓不平衡的情況，所以工作人員在實際工作中需要加入一個電網(wǎng)電壓前饋補償環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)可以抵消電網(wǎng)電壓對并網(wǎng)電流產(chǎn)生的影響。根據(jù)補償原理可以得出，加入電網(wǎng)電壓前饋補償環(huán)節(jié)，就是在控制方式上運用開環(huán)方式，然后補償可測量的干擾信號，這個不會影響控制系統(tǒng)的特性和穩(wěn)定性。而且前饋控制可以幫助反饋控制分擔責任，減小反饋控制系統(tǒng)的增益，這樣也這樣可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。加入電網(wǎng)電壓前饋控制的目的是為了控制電網(wǎng)電壓的擾動，具體的工作流程是電流環(huán)的輸出與電網(wǎng)電壓的前饋信號相結(jié)合，相結(jié)合的信號經(jīng)過spwm調(diào)制后在驅(qū)動開關(guān)管輸出，這個工作流程實現(xiàn)了單相逆變器的并網(wǎng)控制。

以上敘述的基于pi調(diào)節(jié)器的單相并網(wǎng)逆變器的雙環(huán)控制雖然控制簡單，但是存在一些問題，比如電流環(huán)不能實時跟蹤電流、輸出濾波的電容比較大、系統(tǒng)不穩(wěn)定等。雙環(huán)系控制中主要電壓前饋來抑制電網(wǎng)電壓的擾動，電網(wǎng)電流還可以采用比例諧振調(diào)節(jié)器，這樣可以實現(xiàn)電網(wǎng)電流的無靜差控制。內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過spwm調(diào)制后驅(qū)動開關(guān)管，這樣就可以實現(xiàn)單相逆變器的并網(wǎng)控制。

二、雙閉環(huán)控制的仿真

1.電流環(huán)。電流環(huán)的設(shè)計是為了保證電流閉環(huán)有較好的穩(wěn)定性，同時提高電流閉環(huán)對瞬時值的反應(yīng)和抗擊干擾性能。我們對系統(tǒng)的開環(huán)幅相頻特性曲線做出分析，可以得知，沒有經(jīng)過校正的開環(huán)系統(tǒng)的相頻特性小于90度。因此，它恒有大于90度的相位裕度，這時系統(tǒng)對于任何開環(huán)增益都是穩(wěn)定的。在實際的工作中，我們?yōu)榱吮ＷC電流閉環(huán)以后的系統(tǒng)不發(fā)生一系列的變化，比如階次、相角滯后等。通常工作人員對于電流環(huán)的補償器設(shè)計比較簡單，電壓外環(huán)與之相比更為復(fù)雜。內(nèi)環(huán)只需要安裝一個比例調(diào)節(jié)器，且比例調(diào)節(jié)器的構(gòu)成也比較簡單。通過調(diào)節(jié)電流環(huán)調(diào)節(jié)器系數(shù)比例得到不同系數(shù)下的幅相頻特性曲線，對圖片進行分析可以得知，調(diào)節(jié)系數(shù)對系統(tǒng)的帶寬有一定的影響，換句話說就是調(diào)節(jié)系數(shù)的變化可以擴大系統(tǒng)的帶寬。調(diào)節(jié)系數(shù)還可以對系統(tǒng)的抗干擾能力產(chǎn)生影響，因此，在選擇適宜的調(diào)節(jié)比例系數(shù)時，要綜合系統(tǒng)的寬帶和抗干擾能力兩種因素做出判斷。

2.電壓外環(huán)。電壓外環(huán)的主要作用是調(diào)節(jié)輸出電壓并且跟蹤參考波形。對系統(tǒng)的負相頻特性曲線進行分析，我們可以得知，系統(tǒng)的開環(huán)增益不大，但輸出的穩(wěn)態(tài)誤差很大。因此要增加補償環(huán)節(jié)，在實際的工作過程中工作人員需要注意的是增加適當?shù)沫h(huán)節(jié)，切記過量或少量。我們可以利用PI調(diào)節(jié)器來增加系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，主要的措施是對pi調(diào)節(jié)器進行串聯(lián)。

3.電壓電流雙閉環(huán)控制。為了改善控制效果，工作人員可以將電流環(huán)調(diào)節(jié)器部分換成比例-積分控制器pi，增加一個積分環(huán)節(jié)可以增加輸出波形的控制精度。系統(tǒng)的開環(huán)增益一旦上升就有利于改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小穩(wěn)態(tài)的誤差。根據(jù)實驗可以得出，pi綜合控制器可以以增加開環(huán)增益，改善單個pi控制器的相角裕度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小系統(tǒng)的振蕩。

總結(jié)

逆變電源設(shè)計開發(fā)中，變壓器的設(shè)計至觀重要。變壓器設(shè)計可以直接影響逆變電源的工作性能和效率，在設(shè)計變壓器時可以依據(jù)好壞參數(shù)，選擇的準確與否來判斷。為了使系統(tǒng)達到最佳的工作狀態(tài)，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的各項參數(shù)時可以將電源看成一個系統(tǒng)也可以將逆變電源看成一個系統(tǒng)。重復(fù)控制方法的特點是重復(fù)的進行擾動，根據(jù)周期來修正輸出電壓，這樣就可以得到更加準確的輸出電壓波形。在實際的實驗中表明，一只逆變電壓在負載變化嚴重當或者非線性負載條件下的輸出電壓發(fā)生變化，保持輸出波形的質(zhì)量方面，重復(fù)控制有很好的效果。DSP在逆變電源控制領(lǐng)域有著不可替代的作用，有著很大的優(yōu)越性，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的振蕩次數(shù)明顯減少，增加了穩(wěn)定性，系統(tǒng)的快速性、相對穩(wěn)定性和跟蹤效果都得到了相應(yīng)的提高。

參考文獻：

[1]呂超.單相光伏逆變器雙閉環(huán)控制及并網(wǎng)穩(wěn)定性研究[D].新疆大學(xué)，2017.

[2]蔡啟博.基于雙閉環(huán)控制技術(shù)的三相逆變器設(shè)計與實現(xiàn)[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]周澤龍.基于改進型MPPT的并網(wǎng)型光伏逆變器系統(tǒng)研究[D].湖南大學(xué)，2016.

（作者單位：武漢理工大學(xué)）