逆变器的工作原理及应用

招专业人士 上一览英才 逆变器的工作原理及应用 保持ζr=0.8,n=10不变,改变自然振荡频率,取不同ωr,对闭环系统进行仿真,可以得到与ζr改变时相似的结论,即ωr值越大,系统动态、稳态性能越好。从波特图图25(b)中可以看到,当ζr增大时,扰动项Gio衰减增大,因此随着ωr增大,负载扰动的影响越来越弱,同时输入控制项Gur闭环系统的截止频率增加,系统动态响应速度加快。保持ωr=3500rad/s、ζr=0.8不变,取不同n值,对闭环系统进行仿真,可以得到与ζr、ωr改变时相似的结论,即n值越大,系统动态、稳态性能越好。从图25(c)的波特图中可以看到,当n增大时,扰动项Gio衰减增大,随着n增大,负载扰动的影响越来越弱,同时,输入控制项Gur闭环系统的截止频率增加,系统动态响应速度加快。 由仿真结果可以知道,ζr、ωr、n值增大时,系统闭环传递函数输入控制项Gur截止频率增大,扰动项Gio衰减增大。因此,系统的动态响应速度加快,扰动的影响减弱,动态响应性能和稳态性能均提高。 与期望极点sr1，sr2，sr3无零点构成的3阶系统比较，控制项Gur的变化规律是不同的:无零点系统，ζr增大，系统截止频率降低；n增大到一定值时，对系统截止频率影响不大，符合主导极点定义。 上述的仿真结果均是基于理想模型式(11)提出的,动态和静态性能可以做到无限好,而实际的逆变器系统含有非线性PWM过程及控制与检测的延时,限制了系统的截止频率不能过高,因此参数ζr、ωr、n值均有一定的范围限制,过高时会增加开关管的开关次数,系统不稳定,过低时系统性能差,不能满足要求。考虑上述影响,参数大致范围可取为ζr=0.5～1,n=5～10,ωr=2000rad/s～4000rad/s,使得系统截止频率不大于开关频率的1/2。采用上述极点配置的方法确定PID参数,实验样机参数同仿真参数。取ζr=0.83,n=6.4,ωr=3675rad/s,A相带非线性负载时的输出波形如图26(a)所示,电流峰值为86A,有效值为27.5A,波峰因子3.12,输出电压THD=1.30%。A相突加阻性负载时波形如图26(b)所示。 (2)电压电流双闭环反馈控制 从状态空间的角度看,单闭环控制系统性能不佳的原因是只有单纯的输出反馈,没有充分利用系统的状态信息,如果将输出反馈改为状态反馈可以改善控制效果。状态反馈波形控制系统需要多个状态变量反馈,但并不构成分立的多环控制系统,而是在状态空间上通过合理选择反馈增益矩阵来改变对象的动力学特性,以实现不同的控制效果。采用状态反馈可以任意配置闭环系统的极点,从而改善系统的动态特性和稳定性,这是状态反馈控制的最大优点。状态反馈系数的确定大致有两种方法:一是根据系统要求给出期望闭环极点,推算状态反馈增益矩阵;二是应用最优控制原理,使系统的阶跃响应接近理想输出,据此确定状态反馈增益。许多文献中往往将状态反馈作为内环、以其他的控制策略作为外环形成复合控制,利用状态反馈改善逆变器空载阻尼比小、动态特性差的不足,与外环共同实施对逆变器的波形校正。采用状态反馈控制时,如果对负载扰动不采取有针对性的措施,则会导致稳态偏差和动态特性的改变。 改善电压源逆变器的动态特性的方法之一就是采用电流控制策略。在这种控制中,滤波电容的电流作为一个反馈变量引入到控制系统中,保证滤波电容电流是谐波含量小的正弦波,达到改善输出波形质量的目的。同时,电压瞬时环与电流环配合使用，从而达到调节输出电压和补偿电流环特性的目的。在这种双闭环反馈控制策略中，外环电压环一般采用比例调节器的形式，而内环电流环既可以采用比例调节器的形式，又可以采用滞环电流控制形式。在此,滤波电容的电流相当于输出电压的微分,代了输出电压的变化趋势,可以提前对输出电压进行校正控制,达到改善系统动态性能的目的。尽管电流反馈控制策略具有良好的稳态和动态性能，但它必须使用一个电流传感器来检测滤波电容的电流,增加了系统的复杂性和成本。 电压电流双闭环反馈控制可采用基于状态观测器的双环控制策略,带输出电流前馈的双环控制系统框图如图27所示。 电感电流内环采用PI调节器跟踪电流给定,整个系统工作稳定,并且有很强的鲁棒性。电压外环也采用PI调节器,使输出电压波形瞬时跟踪给定值。这种电感电流内环、输出电压外环的PI双环控制结构可以加快动态响应速度,而且减小静态误差,可以达到电容电流反馈的效果。 电压调节器、电流调节器分别为 Gw(s)=K1p+K1i/s (15) GN(s)=K2p+K2i/s (16) 采用数字化控制,不仅可以大大减小控制电路的复杂程度,提高电源设计的灵活性,而且可以采用先进的控制方法,提高逆变电源的输出电压波形质量和可靠性。但是,采用数字控制方法,因为采样与计算带来的延迟,使得逆变器控制滞后一拍,为了补偿时间上的延迟,就需要采用预测算法,使控制量超前一拍。再者,有些物理量不便于测量,或者为了减少一个检测环节,可以由系统模型并根据已知状态观测出来。这里电感电流和输出电压为观测值,减少了一个电感电流采样传感器,控制器与观测器原理框图如图28所示。 G(k)为控制器传递函数。由分离特性,控制器和观测器可以单独设计。观测器也可以通过极点配置的方法设计出反馈矩阵H。可以得出观测器动态方程 软件上,uo(k+1)、i1(k+1)和u(k+1)很容易用数字方法实现。 在图21所示的实验样机上对该方案进行了实验研究,实验波形如图29所示。空载时,输出电压THD=0.78%,如图29(a)所示;阻性满载(有效值44A)时,输出电压THD=1.35%,如图29(b)所示;带有效值16A非线性负载,波峰因子为2.78时,输出电压THD=2.46%,如图29(c)所示;突加阻性满载时,输出电压电流波形如图29(d)所示 一览英才网(http://www.job1001.com) 是基于产业行业垂直细分和地方区域横向细分的网络求职招聘平台。