1486-单相高频链矩阵式逆变器解结耦SPWM闭环控制仿真研究

0
2
4
6
8
1
20 10 0 -10 -20
0
2
4
6
8
1
+
K 2 P Ks( K1 − kif ) − Ls − rs
2
LCs 3 + (r + K if K 2 P K )Cs 2 + (1 + K vf K1 p K 2 p K ) s + K i K vf K 2 p K
I o ( s ) (1)
� � � � � � � � � �
udc S3 S4
S p1
Sp2 S n2
S1
S2
HFAC
S n1
L C R
S p3
Sn3
S p4 Sn4
� � � � �
� � � � �
2．解结耦调制策略
目前电压型高频链逆变器调制策略主要有以下四 类
[4-7]
图 1 全桥全桥单相电压型高频链逆变器拓扑
Sp1h Sp2h S1 U dc S 3 � � S2 � �
(3)
3．基于解结耦 SPWM 的闭环控制
通常逆变器视为一个典型的二阶系统，其输出性 能主要由 LC 滤波器和负载决定。由于逆变器的输出 阻抗不为零，谐波电流会在上面产生压降，造成输出 电压的畸变；死区的引入，以及过调制等问题，也会 引起逆变器输出电压的变化。要得到高品质的正弦输 出电压，均离不开必要的控制技术。 在很多场合为了取得更好的动静态性能，常采用 双闭环控制技术。本文采用了电压外环，电感电流内 环的双环控制
图 8 输出电压电容电流反馈双闭环控制框图
外环采用 PI，内环采用 P，为了增强带负载能力， 电容电流的反馈 K if =0.6，其他不变，极点配置法确 定仿真参数 K1 p =0.0216， K 2 p =48.5， K i =14246。可 见该方法对于带非线性负载时的控制效果良好。
强电感电流的抗扰度，当负载变化时，其维持电感电 流恒定，使负载从电容上抽走更多电流使输出电压畸 变。电容电流反馈可以迅速的补偿电容电流，使其恒 定，输出电压具有更好的波形。电容电流反馈具有更 好的带负载能力，而电感电流反馈可以通过设置限流 环节有效的抑制负载短路或过载产生的大电流，能有 效地保护电路，而电容电流反馈则不具有这个功能。 不管是电感电流还是电容电流都含有输出电压的微分 成分，引入其反馈都可以改善系统的动态性能[10]。
：正弦脉宽脉位控制策略(SPWPM)，单极性及双
[8,9]
极性移相的 SPWM 控制策略，混合调制策略，以及解 结耦 SPWM 调制等 。 多种方案各有优缺点， 均能实 现单相高频链逆变器的电能转换功能。本文基于解结 耦 SPWM 调制策略， 进行了单相高频链矩阵式逆变器 的闭环控制研究。 由图 1 全桥式高频链矩阵逆变器拓扑可发现，当 前级逆变器输出高频方波时，如果只考虑半个高频周 期，矩阵变换器的输入可以看成是脉动直流，这时可 以把矩阵变换器看成是普通逆变器。当高频变压器输 出为正电压时， 认为是图 1 中的正组逆变器(Sp1、 Sp2、 Sp3、 Sp4)工作， 反之， 当高频变压器输出电压反向时， 认为是负组逆变器(Sn1 、Sn2、Sn3、Sn4)工作，这样 就可以将矩阵变换器拓扑解耦成两个常规电压源型逆 变器反并联结构，从而就可以将常规电压源型逆变器 的控制方法引入其中，进而就可将对矩阵变换器的分 析转化为在开关周期的不同阶段对电压源型逆变器的 分析， 从而 简化对矩阵变换器分析的难度， 这就是“拓 扑解耦”控制思想的核心所在[8]。 通过解耦工作，矩阵式变换器的控制问题就转化 成了普通逆变器的控制问题，这就能相对降低对矩阵 变换器分析的难度，且控制过程容易实现。
0
0 5
1
（c）带同样非线性负载时输出电压和电流波形 (2000uF 电容和 66 欧姆电阻)
0 5
0
5
20 10
20 10 0 -10 -20
图 9 输出电压电容电流反馈双闭环控制仿真结果
Io
0 -10 -20
0
5
0
2
4
6
8 t
10
3.4
输出电压单环 PID 控制
io i L+ Do(s) ic 1 CS U o
（e）负载突然加倍/减半时的输出电压和电流波形 图 5 带负载电流前馈的输出电压电感电流控制仿真结果
得到双环控制系统的特征方程：
3.2
输出电压电感电流双闭环控制
io i L+ 1 1 LS + rL i c CS Do(s)
400
400
200
200 0 -200 -400
0 -200 -400
0 1 2 3 4 5
采用简单的输出电压反馈单环的 PID 控制，同样 采用极点配置的方法，计算和仿真后确定 K p =9.17，
K d =0.00002， K i =20469.83。额度负载时的输出电压 波形。
400 200
400 200 0 -200
通过仿真可以发现，在该控制方法控制下逆变器 在负载突变时动态特性良好。 3.3 输出电压电容电流双环控制
0
1
2
3
4
5
Ur
+
-
Gv(s)
U ir
+
ie -
Gi(s)
K
U1 +
Uo
20
10 5
10
0
0
iL
-5 -10
0 1 2 3 4 t 5
-10
0
1
2
3
4 t
5
Kif Kvf
（a）负载突减时输出电压和电流波形 （b）负载突加时输出电压和电流波形
200 100 0 -100 -200
图6
输出电压电感电流反馈双闭环控制框图
0
2
4
6
8
1
0
10
-100
5 0
-200
-5
-300
-10
0
2
4
6
0
2
4
6
8
1
K if 为反馈系数，K 为周波变换器前的近似放大倍数。
可得系统的传递函数为：
K1 Ur
+
（a）系统额定负载时输出电压波形 （b）突然加/去载时输出电压(上)和负载电流(下)波形
400 200 0
400 200 0 -200
单相高频链矩阵式逆变器解结耦 SPWM 闭环控制
闫朝阳 张超 何群 王跃鹏 张纯江 邬伟扬
河北省电力电子节能与传动控制重点实验室，燕山大学电气工程学院，河北 066004
摘 要 高频链逆变技术与传统逆变器技术相比具有优良的性能，自提出之日起备受关注。针对高频链逆变技术，研究
者提出了多种控制方式。本文应用 SPWM 调制策略，对单相电压型高频链矩阵式逆变器进行了闭环控制的研究。文章分析 并仿真了四种闭环策略，究结果表明所提方案可行，控制效果较好。 关键词 高频链逆变，SPWM，闭环控制
同样采用外环 PI 控制， 内环 P 控制其他不变采用 极点配置法得到仿真参数 K1 p =0.0316 ， K 2 p =56.7 ，
0
0.5
1
200 100 0 -100 -200
K i =12145.83。仿真结果如下。
400 200 0 -200 -400
400 200 0 -200 -400
[10]
得到参数计算公式：
(2 + n)ζω n L − r K 2 P = K if K 2 (1 + 2nξ 2 )ω n LC − 1 K 1P = K vf K 2 p K 3 K = nζω n LC i K vf K 2 p K
(4)
则 ωn =3500 ， n 取 10 ， K vf =0.0028 ， K=300 ，
D( s) =
LCs 3 + (r + K if K 2 P K )Cs 2 + (1 + K vf K1 p K 2 p K ) s + K i K vf K 2 p K (2)
采用极点配置法，
D( s ) = ( s − s1 )( s − s2 )( s − s3 )
2 = ( s 2 + 2ζω n + ωn ) ( s + nζω n )
Io
0 -200 -400
0
1
2
3
4
5
-400
0
1
2
3
4
5
20 10 0 -10 -20
20 10 0 -10 -20
0
1
2
3
4
5
0
1
2
3
4
5
Ur
+
-
Gv(s)
Uir
+
ie -
Gi(s)
K
U1
+
-
iL
1 LS + rL
iL
io
Do(s) ic 1 CS Uo
（a） 系统负载突减时输出电压和电流波形 （b）系统负载突加时输出电压和电流波形 图 11 输出电压反馈的 PID 控制仿真结果
K 2 p =9.17， K i =20460。进行了 Matlab 仿真，参数为
输入电压 50V，滤波电感 0.36mH，滤波电容 60uF， 电阻 40Ω。电感等效电阻 r=0.1Ω，开关频率 20kHz， 输出电压频率 50Hz。仿真结果如下。
300
400 200
200
0
100
-200 -400
国家自然科学基金项目（50837003） ，河北省科学技术研究 与发展项目（11213943） 。