中频逆变器控制策略综述

中频逆变器控制策略综述

【摘要】文章详细研究了中频逆变器控制策略的发展现状，对中频逆变器几种主要的控制策略进行了系统的分析和综述。

【关键词】中频逆变器；控制策略研究；综述

1.引言

随着飞机性能的不断提高和用电设备装置的不断增加，对航空电源设备的要求也在提高，例如要求输出的电压精度高，正弦波畸变率低，动态响应速度快、效率高。但由于功率器件开关频率的限制，相比于常规的工频50Hz/60Hz逆变器，使得400Hz中频逆变器的输出交流电压谐波含量更大，动态响应速度更慢。为获得性能更为优异的中频逆变器，必须使用合理、高效的控制策略，研究中频逆变器的控制策略具有重要的实用意义。

2.中频逆变器的控制策略

在过去的二十多年里，有很多文献研究了逆变器的控制策略，目标是以获得较好的动态响应输出，同时又能够在一个输出周期内实现输出的零稳态误差。这些控制策略大体上可以分为两类：1、对闭环控制的研究，例如单电压环控制与多环控制；2、对控制算法的研究，例如比例积分控制、重复控制、无差拍控制及滑模控制、智能控制等，本文将重点介绍其中几种常用主要控制策略。

2.1单电压环控制

①电压有效值控制

电压有效值的控制框图如图1所示。

该方法的控制思想是将输出电压vo的有效值反馈与给定信号vref进行比较，产生的误差信号ve通过控制器Gv得到幅值信号，此信号与正弦函数sinθ相乘以获得系统的调制信号，通过与三角载波信号相比较获得PWM开关驱动信号。虽然该控制方式可以有效实现对输出电压的有效值控制，但是对于系统的瞬时负载扰动抑制效果几乎为零，输出波形畸变也较严重[1]。

②电压瞬时值控制

电压瞬时值的控制框图如图2所示。

此控制方法方法采用单个闭环控制逆变器的输出电压，与参考正弦电压比较产生误差信号，经过控制补偿器产生的调制信号与载波信号比较生成所需的开关驱动信号。尽管该控制器的设计及实现较容易，但是它并不能够提供较好的电压

输出，尤其是当负载为非线性负载时，输出效果很差。而且由于逆变器的电压输出是一个时变的，以至于它并不能像直流变换器中控制器的设计那样，为频率为50Hz或400Hz的逆变器输出提供无限的增益，使得输出存在稳态误差[2]。

2.2多环控制

在抗负载扰动上，单闭环控制的缺点与直流电机的转速单闭环控制很类似，主要表现在：负载对系统扰动的影响只有在输出端反映出来以后，闭环控制环路中的控制器才开始动作，系统响应速度较慢；而且由于逆变桥的输出通常接二阶滤波器进行滤波，系统阻尼系数小，容易造成振荡而使系统不稳定[3]。考虑到两者的情况很类似，将直流电机中转速电流双闭环的控制思想引用到逆变器的控制环路中，建立电流内环控制，利用它对扰动负载的快速及时跟踪来有效地抑制负载对系统输出的影响。同时由于电流内环对系统特性的重构，实现控制系统的降阶，系统的稳定性得到加强，同时又简化了电压外环的控制器设计。但是该控制方法也存在着不足：为了有效地抑制负载扰动、消除谐波等情况，必须有足够高的电流环带宽，若带宽过大，也容易使系统不稳定，因此，对控制器的设计有一定的难度。

2.3比例积分控制

比例积分控制，也称PI（Proportional Integral），其原理框图如图3所示，控制器由比例环节和积分环节构成，由反馈信号c（t）与参考信号r（t）产生的误差信号e（t），经过控制器，实现被控对象的有效控制。

在模拟控制系统中，PI控制算法用时域的形式可表达如下：

（1-1）

其中，u（t）表示控制器的输出信号；Kp表示控制器的比例系数；Ti表示控制器的积分时间。当采用频域的形式表达时，即进行拉普拉斯变换，式（1-1）可表示如下：

（1-2）

其中，Ki=Kp/Ti表示PI调节器的积分常数。

PI控制器中的比例环节，它的输出量以相应的比例复现输入量，没有延迟，蕴含着控制中的现在信息，而积分环节由于输出滞后于输入，存在时间上的延迟，代表着过去的积累信息，两个环节通常共同使用，若设计合理，可使动态控制过程快速、准确、平稳，达到良好的控制效果。

PI控制的主要优点在于结构简单、参数容易整定、鲁棒性强以及易于实现，是目前应用最为广泛、最为成熟的一种控制技术，在工程实践中得到普遍应用。在现有的数字逆变控制电路中，由于开关频率有限，于是需要足够高的处理速度，

通常要求控制算法不能过于复杂，而简单PI控制算法正好可以满足此要求，它可以在短时间内实现控制算法，同时又可以根据具体的控制对象选择合理的控制参数，以改善逆变器输出的性能[4，5]。

2.4 比例谐振P+R控制

比例谐振P+R调节器的表达式为：

（1-3）

其中，参数ω0即为对应的谐振频率。PI控制对于直流信号可以实现系统的零稳态误差跟踪，但是对于交流信号，由于系统的环路增益有限，不能实现零稳态误差跟踪，这是PI控制交流信号的局限性。

针对这种局限性，有一种改进控制策略，这种控制就是静止坐标轴系P+R （比例谐振）控制[6]，是一种和同步坐标轴系PI控制等效的静止坐标轴系P+R 控制。这种控制策略通过在指定的谐振频率处引入一个无穷大的增益来消除该频率处的稳态误差，由此可以实现正弦信号零稳态误差跟踪能力。

3.结论

本文详细分析了几种广泛使用的中频逆变器控制策略，并给出了各自控制策略的优缺点。针对应用场合的不同，应该合理的选择相应的控制策略。此外，还可以通过优化控制参数来优化逆变器的工作性能。

参考文献：

[1]周建.2kW单相电力逆变电源系统的数字控制技术研究[D].南京航空航天大学，2012.

[2]Arman Roshan.A dq rotating frame controller for single phase full-bridge inverters used in small distributed generation systems[D].The Virginia Polytechnic Institute and State University，2006.

[3]Chen J，Chu bination voltage-controlled and current-controlled PWM inverters for UPS parallel operation [J].IEEE Transactions on Power Electronics，1995，10（5）：547-558.

[4]谢孟.单相400Hz中频电压源逆变器的输出控制及其并联运行控制[D].中国科学院研究生院，2006.

[5]胡兴柳.400Hz逆变器的数字控制技术研究[D].南京航空航天大学，2004.

[6]D N Zmood and D G Holmes.Stationary frame current regulation of PWM