基于SPWM 逆變器控制系統的建模與仿真

　　2 電流內環(huán)電壓外環(huán)雙環(huán)控制的基本原理

　　早些年，逆變器電壓電流雙環(huán)控制用輸出電壓有效值外環(huán)維持輸出電壓有效值恒定，這種控制方式只能保證輸出電壓的有效值恒定，不能保證輸出電壓的波形質(zhì)量，特別是在非線(xiàn)性負載條件下輸出電壓諧波含量大，波形失真嚴重;另一方面，電壓有效值外環(huán)控制的動(dòng)態(tài)響應過(guò)程十分緩慢，在突加、突減負載時(shí)輸出波形波動(dòng)大，恢復時(shí)間一般需要幾個(gè)甚至幾十個(gè)基波周期，瞬時(shí)控制方案可以在運行過(guò)程中實(shí)時(shí)地調控輸出電壓波形，使得供電質(zhì)量大大提高。其中，應用較多的有:電壓?jiǎn)苇h(huán)控制、電壓電流雙環(huán)控制、滯環(huán)控制等。

　　本文主要采用電流內環(huán)電壓外環(huán)的雙環(huán)控制，結構框圖如圖3 所示，輸出反饋電壓和給定電壓基準信號比較，形成瞬時(shí)誤差調節信號。經(jīng)過(guò)電壓PI 調節器后作為電流給定基準值，與電流反饋信號比較，形成瞬時(shí)誤差信號，經(jīng)過(guò)電流PI 調節器產(chǎn)生電流誤差控制信號。

　　該信號與三角載波交截后產(chǎn)生SPWM 開(kāi)關(guān)信號，控制主電路開(kāi)關(guān)器件，在LC 濾波器前端形成SPWM 調制電壓，經(jīng)LC 濾波器后輸出正弦電壓。

圖3 雙閉環(huán)控制系統框圖

　　2.1 具有狀態(tài)解耦的多環(huán)控制系統

　　在雙環(huán)控制系統中，由于電壓外環(huán)對電流內環(huán)具有緩慢擾動(dòng)作用，要實(shí)現更好的控制效果，必須對控制對象進(jìn)行解耦，消除輸出電壓產(chǎn)生的交叉反饋作用。

　　依據控制結構的不同，效果也會(huì )不一樣，文中對以下提出兩種改進(jìn)方案進(jìn)行分析。

　　(1)帶負載電流解耦的電感電流反饋

　　如果電感電流能夠得到快速跟蹤，則相對外環(huán)來(lái)說(shuō)，內環(huán)動(dòng)態(tài)過(guò)程可以忽略，負載電流就很容易解耦。

　　圖4 是實(shí)現了負載電流解耦的內環(huán)電感電流反饋控制結構圖。負載電流解耦把負載電流作為電流環(huán)附加指令，不必等到電壓誤差產(chǎn)生就能提供負載所需要的電流。這樣負載突變可以通過(guò)前饋有效地抑制，不依賴(lài)外環(huán)來(lái)調節，從而提高響應速度。電感電流內環(huán)的帶寬由Ki設置，帶寬越大，電感電流跟蹤的快速性越好，負載電流解耦的效果也越好，輸出波形的穩態(tài)精度也越高。

圖4 電感電流反饋控制框圖

　　指令傳遞函數:

　　擾動(dòng)傳遞函數:

　　(2)帶輸出電壓解耦的電容電流反饋

　　從電路的角度來(lái)看，對LC 濾波器而言，出現負載擾動(dòng)時(shí)，電感電流不能突變，只能影響電容電流。因此，電容電流反饋可以直接反映出負載電流的變化。

　　從擾動(dòng)的作用點(diǎn)來(lái)看，采用電容電流反饋可以將負載擾動(dòng)，包含在反饋環(huán)路的前向通道內，因此可以及時(shí)對擾動(dòng)產(chǎn)生抑制。從反饋原理來(lái)看，反饋哪個(gè)量，就能增強那個(gè)量的穩定度，反饋電容電流能使其在負載汲取電流時(shí)仍有維持不變的趨勢。這樣，不需要擾動(dòng)前饋補償，電容電流反饋結構就可以得到比僅用電感電流反饋要好的動(dòng)態(tài)性能。從逆變器的輸出來(lái)看，只要精確保證電容電流為正弦，無(wú)論負載如何變化都可以得到良好的輸出正弦電壓。若取電感電流反饋(無(wú)負載電流前饋補償)，那么負載擾動(dòng)只能通過(guò)電壓外環(huán)調節;而取電容電流反饋，負載擾動(dòng)在內環(huán)就可以得到及時(shí)的抑制。由于沒(méi)有檢測電感電流iL ，電感等效電阻無(wú)法解耦，其動(dòng)態(tài)輸出特性在低頻段會(huì )受到一定影響。

圖5 電容電流反饋控制框圖