基于SPWM 逆變器控制系統(tǒng)的建模與仿真

　　2 電流內(nèi)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)控制的動態(tài)響應(yīng)過程十分緩慢，在突加、突減負載時輸出波形波動大，恢復(fù)時間一般需要幾個甚至幾十個基波周期，瞬時控制方案可以在運行過程中實時地調(diào)控輸出電壓波形，使得供電質(zhì)量大大提高。其中，應(yīng)用較多的有:電壓單環(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(nèi)環(huán)電壓外環(huán)的雙環(huán)控制，結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示，輸出反饋電壓和給定電壓基準信號比較，形成瞬時誤差調(diào)節(jié)信號。經(jīng)過電壓PI 調(diào)節(jié)器后作為電流給定基準值，與電流反饋信號比較，形成瞬時誤差信號，經(jīng)過電流PI 調(diào)節(jié)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 開關(guān)信號，控制主電路開關(guān)器件，在LC 濾波器前端形成SPWM 調(diào)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(tǒng)框圖

　　2.1 具有狀態(tài)解耦的多環(huán)控制系統(tǒng)

　　在雙環(huán)控制系統(tǒng)中，由于電壓外環(huán)對電流內(nèi)環(huán)具有緩慢擾動作用，要實現(xiàn)更好的控制效果，必須對控制對象進行解耦，消除輸出電壓產(chǎn)生的交叉反饋作用。

　　依據(jù)控制結(jié)構(gòu)的不同，效果也會不一樣，文中對以下提出兩種改進方案進行分析。

　　(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)來說，內(nèi)環(huán)動態(tài)過程可以忽略，負載電流就很容易解耦。

　　圖4 是實現(xiàn)了負載電流解耦的內(nèi)環(huán)電感電流反饋控制結(jié)構(gòu)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前饋有效地抑制，不依賴外環(huán)來調(diào)節(jié)，從而提高響應(yīng)速度。電感電流內(nèi)環(huán)的帶寬由Ki設(shè)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(wěn)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(shù):

　　擾動傳遞函數(shù):

　　(2)帶輸出電壓解耦的電容電流反饋

　　從電路的角度來看，對LC 濾波器而言，出現(xiàn)負載擾動時，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。

　　從擾動的作用點來看，采用電容電流反饋可以將負載擾動，包含在反饋環(huán)路的前向通道內(nèi)，因此可以及時對擾動產(chǎn)生抑制。從反饋原理來看，反饋哪個量，就能增強那個量的穩(wěn)定度，反饋電容電流能使其在負載汲取電流時仍有維持不變的趨勢。這樣，不需要擾動前饋補償，電容電流反饋結(jié)構(gòu)就可以得到比僅用電感電流反饋要好的動態(tài)性能。從逆變器的輸出來看，只要精確保證電容電流為正弦，無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(無負載電流前饋補償)，那么負載擾動只能通過電壓外環(huán)調(diào)節(jié);而取電容電流反饋，負載擾動在內(nèi)環(huán)就可以得到及時的抑制。由于沒有檢測電感電流iL ，電感等效電阻無法解耦，其動態(tài)輸出特性在低頻段會受到一定影響。

圖5 電容電流反饋控制框圖