孙 进 罗晓敏 霍红光

　　(空军工程大学电讯工程学院 陕西 西安 710077)

　　摘 要:文中对逆变电源各种瞬时值反馈控制方法进行了对比研究,带电感电流内环的电压瞬时值反馈要获得与电容电流内环瞬时值反馈控制的效果,必须引入负载电流前馈;带电压微分内环的逆变电源控制系统与带电容电流内环的逆变电源控制系统相比,在理论上两种控制方案是等同的。

　　1 概述

　　正弦波逆变电源是一种高性能的逆变电源,它对输出电压的特性有以下要求:稳压性能好;输出电压波形质量高、负载适应性强;动态特性好;电压调制量小。在主电路参数一定的情况下,控制方法决定着逆变电源性能的高低[1]。传统控制方法常采用诸如信号波载波调制法、谐波消去法等开环PWM控制技术来得到正弦波电压,虽然“电压有效值控制环”能保证稳态电压有效值的恒定,但该方法不能满足高性能逆变电源的要求。为了克服传统控制方法的缺点,出现了各种实时反馈控制方案,比如无差拍控制方案、重复控制方案、谐波补偿控制方案、电压波形反馈控制方案、带电流内环的电压控制方案等。瞬时值反馈控制方法通过引入输出的瞬时值反馈,根据实际值与期望值的偏差来实时地调整逆变器输出电压的脉冲模式,在很大程度上克服了单一电压有效值控制方法的缺点,使逆变电源的性能得以提高。与谐波补偿控制、无差拍控制、重复控制等控制方法相比,瞬时值反馈控制具有控制结构简单、容易实现、鲁棒性强、控制效果好等独特的优点[2]。

　　目前先进的瞬时值控制一般采用双环或多环反馈,以下是一些典型的瞬时值反馈控制方法。

　　(1)单一的电压瞬时值反馈控制

　　单一电压瞬时值反馈的逆变电源的系统结构如图1所示。

　　(2)带滤波电容电流内环的电压瞬时值反馈控制[3～4]

　　带电容电流内环的逆变电源的系统结构如图2所示。

　　(3)带滤波电感电流内环的电压瞬时值反馈控制[5]

　　带电感电流内环的逆变电源的系统结构如图3所示。

　　(4)带电压微分内环的电压瞬时值控制系统分析

　　逆变电源输出电压的微分可以表示为

　　从式(1)可以看出，逆变电源输出电压的微分实际上就是输出滤波电容中流过电流的大小和电容值倒数的乘积。输出电压的微分代表输出电压的变化趋势，在逆变电源控制系统中引入输出电压的变化率反馈，可以克服直流母线电压的波动、负载电流等系统的扰动对输出电压的影响，从而提高系统的稳定性和快速性，改善系统的动态特性，改善输出电压波形品质。系统结构如图4所示。

　　2 各种瞬时值反馈控制系统的性能比较

　　为了分析比较各种瞬时值反馈控制系统的性能,在此引入系统动态硬度的概念。系统的动态硬度被定义为:│io(s)/uo(s)│,这也就是输出阻抗的倒数。从系统动态硬度的概念可以看出,系统的动态硬度越大,说明系统具有快速的瞬态响应,较高的抗扰动能力和较低的THD。

　　单一电压瞬时值反馈控制系统的动态硬度为

　　图5给出了采用单一电压环和带电容电流内环的系统动态硬度,图6给出了采用电容电流内环和电感电流内环的系统动态硬度。

　　从式(6)与式(3)的对比可以看出,采用负载电流前馈的带电感电流内环电压瞬时值反馈控制系统的动态硬度与带电容电流内环的电压瞬时值反馈控制系统的动态硬度完全一致。带电压微分内环的电压瞬时值反馈控制系统，如果电压微分反馈系数取的适当，其动态硬度的表达式也与带电容电流内环的电压瞬时值反馈控制系统相同。从图5与图6可以看出，单一的电压瞬时值反馈控制系统和电感电流内环的电压瞬时值反馈控制系统的动态硬度比较低，而电容电流内环的电压瞬时值反馈控制系统、电压微分内环的电压瞬时值反馈控制系统和带负载电流前馈的电感电流内环的电压瞬时值反馈控制系统的动态硬度比较高，系统具有快速的瞬态响应、较高的抗扰动能力和较低的THD。

　　3 逆变电源瞬时值反馈控制方法的仿真研究

　　本文采用MATLAB作为仿真工具,对各种瞬时值反馈控制方法进行了仿真研究。仿真电路参数如下:

　　直流电源:310V; 滤波电感:1.5e-3L;

　　滤波电容:2e-5F; 标准正弦波:21V、400Hz

　　采用带电容电流内环的电压瞬时值反馈控制系统突加、突卸阻性负载下输出电压波形见图7(a)、电容电流波形见图7(b)。

采用带电感电流内环的电压瞬时值反馈控制系统阻性负载时输出电压波形见图8(a)、电感电流波形见图8(b)。

采用带电容电压微分内环的电压瞬时值反馈控制系统阻性负载下输出电压波形见图9(a)、电容电流波形见图9(b)。

　　将图7与图9的输出电压波形加以对比，带电容电压微分内环的反馈控制系统与带电容电流内环的反馈控制系统在阻性负载下，控制的效果基本上是一致的。将图7与图8的输出电压波形加以对比，可以看出带电感电流内环的反馈控制系统对负载的扰动没有调节作用，要想获得和电容电流同样的控制效果，必须引入负载电流前馈，将负载的扰动包含在控制环内。

图1 0给出采用负载电流前馈的带电感电流内环电压瞬时值反馈控制系统突加、突卸阻性负载输出电压波形、电感电流波形和负载电流波形。

　　从图7和图10输出波形可以看出,引入负载电流前馈,使得带电感电流的电压瞬时值反馈控制得到了和带电容电流内环的电压瞬时值反馈控制同样的输出效果。

　　4 结束语

　　本文对逆变电源的瞬时值反馈控制方法进行了深入系统的分析。对于带电容电流内环的控制系统,滤波电容电流内环对于包含在环内的扰动,如输入电压的波动、死区时间的影响、变压器铁心励磁特性非线性的影响、电感参数变化、负载电流的变化等能起到及时的调节作用,使得系统的稳态特性、动态特性等都大大提高。对于带电感电流内环的控制系统,滤波电感电流内环对包含在环内的扰动,如输入电压的波动、死区时间的影响、变压器铁心励磁特性非线性的影响、电感参数的变化等可以起到及时的调节作用。与单一的电压瞬时值反馈控制方式相比,系统的特性大大提高,但需要增加一个检测大电流的电流传感器。滤波电容电流内环的引入比滤波电感电流内环的引入更具优越性,引入电容电流内环时系统的动态特性更好,因为滤波电容电流内环对负载电流的变化能起到及时的调节作用,而滤波电感电流内环却不能,带滤波电感电流内环的电压瞬时值控制要达到带滤波电容电流内环的瞬时值控制的效果,必须引入负载电流的前馈补偿控制。另外,由于滤波电容的电流在输出电压稳定时是不变的,不会象滤波电感电流那样随负载电流而变化,因此只需一个检测小电流的电流传感器;对于带电压微分内环的逆变电源控制系统,系统的性能有很大改善。带电压微分内环的逆变电源控制系统与带电容电流内环的逆变电源控制系统相比,在理论上,两种控制方案是等价的,对于带电压微分的逆变电源控制系统仅仅增加了软件系统的复杂性,而对于控制系统的硬件,还可以减少电流传感器,在三相逆变电源控制系统中,尤为可取。

　　参考文献

　　[1] 卢加林.IGBT应用共性技术和大容量高性能逆变电源的研究。西安交通大学博士学位论文,2000.

　　[2] Michael J.Ryan,William E.Bramsickle.Control TopologyOptions for Single-Phase UPS Inverters. IEEE Transactionson Industry Applications,Vol.33,No.2,March/April 1997,pp.493～501.

　　[3] Oley Wasynczuk.A Voltage Control Strategy forCurrent-Regulated PWM Inverters.IEEE Transactionson Power Electronics,Vol.11,No.1,January 1996,pp.7～15.

　　[4] Lu Jialin. Su Yanmin. A novel control strategy forhigh-power high-performance AC power supplies. IECON’2001 [C].Lahana.Maui.Hawaii.USA.2001.1178～1183

　　[5] Naser M.Abdel-Rahim,John E.Quaiceo.Analysis andDesign of a Multiple Feedback Loop Control Strategyfor Single-Phase Voltage-Source UPS Inverters.IEEETransactions on Power Electronics,Vol.11,No.4,July1996, pp.532～541.

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