两种典型控制方法在逆变器控制器中的比较

两种典型控制方法在逆变器控制器中的比较

摘要：对比分析了逆变器控制中的电容电流反馈和电感电流反馈两种控制方式。推导了控制器的控制模型，分析了控制器的设计方法，给出了各种突加负载及恒定负载状态下的实验结果，指出了两种控制方法的特点以及优缺点。实验在800VA的逆变器中进行,逆变器的开关频率是30kHz，输出电压是400Hz,115V有效值的正弦波。

关键词：电容电流；电感电流；控制器

0    引言

    逆变器可以采用的控制方法种类繁多，不同的控制方法都有其独特的优点及适用场合[1][2]。从控制环路的角度看，可以分为开环控制、单环控制、双环控制以及多环控制。

    开环控制无论在静态特性或动态特性方面都无法满足UPS逆变器的要求。为了获得逆变器输出电压良好的静态和动态特性，可以采用输出电压单环瞬时值反馈控制。这种控制方法能够实时地调节输出电压的波形，比较好地抑制元器件的非线性特性和直流母线电压波动带来的影响，在一定程度上改善了逆变器的静态和动态特性。但是由于这种控制方法只有单电压环控制，当负载发生比较大的动态变化时（如负载的电流突然变大），逆变器的输出电压会有比较大的畸变，而且动态调节比较慢。由于这种系统是二阶振荡环节，负载越轻，动态调整时间越长，且轻载时闭环系统的根轨迹靠近虚轴，系统稳定性差。为了进一步提高逆变器的控制特性，可以采用双环和多环控制，由于多环控制比较复杂，目前实际应用中采用很少。双环控制由于控制性能良好，控制方便而得到了较多的应用。本文针对输出电压和滤波电容电流反馈以及输出电压和滤波电感电流反馈的两种典型双环控制方法进行了对比分析。

1    两种反馈环路的逆变器控制模型

    图1是全桥逆变器的主电路图，Vd是直流电压源，S1～S4是4个IGBT开关管，L和C是滤波电感和滤波电容，用于滤除逆变系统中的高次谐波。rL和rC是滤波电感和滤波电容的等效串联阻抗。ZL是负载，负载可以是纯阻性也可以是非线性等。图1所示的逆变器主电路图由于开关器件的存在是个非线性系统。但是，当器件的开关频率远远大于逆变器输出电压的基波频率时，可以用状态空间平均和线性化技术来分析。按照图1所示，可以得到下面的逆变器模型的动态方程：

    （1）

    （2）

    v0=（3）

    iL=iC＋iZ（4）

式中：iC，iL，iZ分别是电感、电容、负载的电流。

图1    全桥逆变器的主电路

    上面的动态方程显示了逆变器中各个量的相互关系。在上面建立方程的过程中，逆变器可以看作一个具有恒定增益的放大器。以前面的动态方程为基础，可以设计一个如图2和图3所示的控制器模型。其中的系数定义如表1所列。

图2    电感电流反馈逆变器控制模型原理框图

图3    电容电流反馈逆变器控制原理框图

表1    系数定义

    从上面的控制框图中可以看出，电感电流反馈和电容电流反馈的控制差别只在于电流反馈的路径不同。控制环的结构是相同的，这样在设计闭环参数时，可以使用相同的设计方法，因此，从反馈参数的设计上讲，两种控制方式的设计方法可以完全相同，只是参数的量值有所变化。

    控制器参数的设计要使得系统在低频区域有很大的放大倍数，以提高系统的稳态性能；中频段的斜率不能太大，也不能太小。而且中频段要有一定的宽度，这样系统的相位余度较大。系统的穿越频率越高，系统的响应速度越快，但是太高会引入高频干扰。高频段的设计要求随着频率的增加，控制器的幅频特性迅速减小，以提高系统的抗干扰能力。

2    两种反馈控制方式的实验结果

    依据前面所述的控制原理，设计了一个额定输出功率800VA，输出电压115V正弦波，输出频率400Hz的逆变器。在这个逆变器中，分别进行了电感电流反馈和电容电流反馈两种馈两种方式控制方式的比较，用来说明两种控制方式的特点。

    为了对比需要，本文所有电感电流反馈实验中的参数相同。同样，所有电容电流反馈实验中的控制参数也相同。图4～图9是线性负载时的实验波形，图10～图13是整流桥负载时的实验波形。从图4～图7可以看出两种控制方式下的空载输出电压和满载输出电压波形THD基本相同。由于电容电流是输出电压的微分，对输出电压的变化有预测作用，动态响应速度应该很快。而电感电流反馈的电流也包含了电容电流，因此，也有较快的响应速度。从图8和图9可以看出，电容电流反馈和电感电流反馈时逆变器的切换时间和超调基本相同。从图10～图13可以看出，对于整流桥负载，电容电流反馈控制时输出电压要比电感电流控制时输出电压波形质量好很多。图13中输出电压的THD为7％。适当改变控制参数，图13中的THD可以减小。由于电容电流是输出电压的微分，对负载电流的突变非常敏感，能在输出电压畸变之前作出校正。因此，如上面实验波形所示，电容电流反馈时逆变器输出电压的波形质量比电感电流反馈时的输出电压的波形质量好得多。电感电流反馈可以根据系统的要求，使用和稳态时相同的参数来实现自动限流保护，效果如图14所示。和电感电流反馈不同的是，稳态时电容电流不能反映负载的大小，因此，电容电流反馈不能直接依靠和稳态时相同的反馈参数来实现限流保护，如果要实现限流保护，需要采用其他方法[3]。

图4    电容电流反馈线性负载空载输出电压实验波形THD=0.8％

图5    电感电流反馈线性负载空载输出电压实验波形THD=0.9％

图6    电容电流反馈线性负载满载输出电压实验波形THD=1.2％

图7    电感电流反馈线性负载满载输出电压实验波形THD=1％

图8    电容电流反馈线性负载满载到空载切换输出电压实验波形

图9    电感电流反馈线性负载满载到空载切换输出电压实验波形

图10    电容电流反馈整流桥负载空载输出电压实验波形THD=1.0％

图11    电感电流反馈整流桥负载空载输出电压实验波形THD=1.1％

图12    电容电流反馈整流桥负载满载输出电压实验波形THD=1.3％

图13    电感电流反馈整流桥负载满载输出电压实验波形THD=7％

图14    电感电流反馈限流时输出电压电感电流实验波形

3    结语

    分析说明电容电流反馈和电感电流反馈控制器的设计原理相同。线性负载稳态时两种控制方式所产生的输出电压波形质量都比较好，暂态时动态响应也都比较快。但是对于整流桥负载而言，电容电流反馈的控制结果要比电感电流好很多。因此，电容电流反馈的负载适应性要比电感电流反馈好得多，适用于线性负载、整流桥等负载。电感电流反馈适用于线性负载和需要限流保护的场合。本文的设计是通过模拟控制方式实现，与目前流行的各种复杂数字控制方法比较，输出波形质量基本相当，但具有设计简单，成本低的优点。