PDF《逆变电路的控制技术与策略》

逆变电路的控制技术与策略 陈江辉 谢运祥 陈兵(华南理工大学电力学院 ! # $ % # ) 摘要详细介绍正弦波逆变电路传统逆变控制技术和先进控制方法和策略,指出逆变控制 技术的发展趋势和方向.

关键词 逆变电路 电源 数字控制 ! 引言 逆变电路是能够实现直流电能到交流电能的转 换电路.它广泛地应用于电力系统、家用电器、交 通运输、工业电源和航空航天等领域.特别是近些 年石油、煤和天然气等不可再生能源日趋紧张,绿 色能源(太阳能和化学电池等)越来越被重视,然 而利用这些能源的关键技术就是逆变技术.逆变技 术中最重要的组成部分又是控制电路和控制策略的 实现.传统逆变电路控制技术和策略主要是电压瞬 时值单环反馈控制、电流瞬时值单环反馈控制、电 压电流双环反馈控制和特定谐波消去控制法等.这 些传统的控制方法技术成熟,控制电路较简单实 用,但是在某些性能上都有各自的不足:可靠性较 差、电磁干扰较严重和控制策略难以实现等 [ , &

] . 高性能逆变电源要求满足:高逆变效率,高速 动态响应,高稳态精度,高系统稳定和可靠性,高 智能化.随着高运算能力的专用'

( )芯片的出现, 先进的控制方法和策略用于逆变电路成为可能.滑 模变结构控制、模糊控制、无源控制和神经网络控 制等数字化控制技术被应用于逆变器,其性能大大 改善,不仅输出波形很接近正弦波,而且电磁干扰 和对电网污染大大减小 [ &

] . 常规逆变控制技术 [ ! , # , $ ] 初期逆变电路的控制主要单纯用反馈来修正系 统行为,使它达到预期的目标.其系统是常系数线 性系统,对象和扰动可以用数学模型表示,基本控 制任务包括稳定和跟踪两大类.最简单的逆变电路 控制策略是方波逆变电路) *+ 控制,控制电路以 输出的基波频率控制开关的导通关断,输出波形为 方波,经过滤波后输出近似的正弦基波.该逆变控 制结构简单、电压利用率高,但输出谐波(含有低 次谐波)含量高、输出电压不可调等.为了使输出 电压可以调节,利用控制极相位变化,在不改变主 电路结构下实现输出电压调节,这种控制策略称为 单脉冲宽度调制式控制,虽然输出电压能调节,但 是谐波(含有低次谐波)含量仍然过高、电路内部 环流大. 正弦脉宽调制( ( ) *+)控制技术在逆变电路 中的应用大大降低了逆变电路输出谐波含量(特别 是低次谐波) .这样小参数滤波电路可以滤掉大部 分谐波,输出波形接近正弦波.( ) *+ 典型控制 方法分为电压反馈控制和电流反馈控制. 电压反馈控制是采用输出电压瞬时值反馈控制 策略,输出电压与电压给定比较产生的误差信号经 调节器后,其输出信号用以调节正弦调制信号的幅 值,这样输出电压的幅值可连续调节并保证一定的 静差.另外为了实现输出电压波形控制,使反馈电 压与正弦调制信号比较后再经一个) ,电压调节器, 其输出信号作为调制信号与载波信号比较产生 ( ) *+信号控制开关管.其电压反馈控制框图如图 所示.电压反馈控制易设计和分析,锯齿波为调 制过程提供强抗干扰能力,低阻抗功率输出为多路 图 电压反馈控制框图 ― ! # ― 《电气应用》 ! #年第! $卷第%期 ・电力电子 ・ 输出提供较好交叉调节能力. 但具有动态响应速度 慢,补偿复杂和负载适应性差等缺点. 电压反馈控制输出电流非正弦波,对于负载为 电动机负载,电流的谐波分量使电动机增加损耗、 效率下降、增加脉动转矩影响工作性能.于是电流 型反馈控制方式出现,实现电流控制策略的方式有 很多,这里介绍最典型的电流滞环跟踪控制.电流 控制示意图如图!所示.其控制电路的任务是控制 开关器件交替导通以使得电感电流跟踪正弦给定. 当反馈电流低于下门限值时,使上臂器件导通反馈 电流上升,当上升高于上限值时,下臂导通使其下 降,在给定正弦一定范围内波动,环宽越小就越接 近正弦.电流控制具有快速瞬时响应、较高稳定 性、容易防止偏磁,但电路易失控、频率不固定、 可靠性下降、频谱变差等. 图! 电流控制示意图 ! 逆变先进控制技术与策略 由于 # $ 芯片的性能日益强大,模糊控制、 神经网络控制和变结构控制等先进数字控制技术才 被广泛用于逆变电路.其优点主要是:控制灵活、 可靠性高、实现智能化、易于维护、稳度和精度 高、鲁棒性高等.下面介绍逆变电路的主要先进控 制技术和策略. ! # 重复控制 重复控制的基本思想源于内模原理,把作用于 系统外部信号的动力学模型植入控制器,而构成了 精度高的反馈控制方式 [ % ] .由内模原理可知,对 每种扰动信号设置正弦函数内模才能实现无静差. 其基本思想是利用前一基波周期中的波形畸变可能 将在下一周期的同一时间重复出现,控制器依据误 差来确定校正信号,然后在下一周期的同一时间将 此信号叠加在以前控制信号上,用来消除后面将出 现的畸变. 重复控制系统框如图&