降低逆变器电压中总谐波失真控制技术

器切除频率 （ωｑ＝２π·４００）。 Ｐ 的计算与 ＰＩ 比例增益的计算方式相同。
叠加在原控制信号上，这样就可以消除输出电压的周期性
图 １５ 所示为图 １４ 中提供电压回路的预示图，其定义
畸变。
为：
ＩＭＰ 的概念也可在频率域中得到解释，因为在频率分
（１８）
量内高增益的引入，关系到信号的跟踪或拒绝。重复回路 在全部频率上具有无限的增益，也即多倍的 １／Ｔ，这里的 Ｔ
７
Ｋ７
６
２π３．５
９
Ｋ９
４
２π４．５
１１
Ｋ１１
２
２π５．５
利用表达式 Tｖ（s）＝GＶｒｅｓ（s）·GｖＯ－ｖＣ（s）·β 得到图 １３ 的预
大h比tt特p:电//子bb变s.压bi器g-论bi坛t.com 图１１ ２ＤＯＦ控制器的电压回路预示曲线
示曲线。 Ｐ＋ 谐振控制器的电压回路具有以下的稳定特性 ：
控制器设计时必须识别控制变量的传输函数（ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ）。该传输函数是利用开关模拟技术提取的。下面 将提供能获得这一传输函数的数学模型。
并满足电压幅值和频率条件。另外，应确保合适的 ＴＨＤｖ（按 2.1 研制过程中逆变器的小信号模型
照 ＩＥＥＥ５１９ 标准，低于 ５％）。
PＭ＝９６．７°，GＭ＝６ｄｂ。
论坛 m 4.2 两自由度电压控制器 (2DOF) 器 .co ２ＤＯＦ 控制技术能应对系统干扰和基准变量。这一技
变压 bit 术独立处理基准信号和输出，且可提供不同的调谐方法。 大h比tt特p:电//子bbs.big- 这一技术的实现对比一自由度技术，具有更好的坚固度。
压 t. 或核电厂等集中式发电 （ＣＧ），这些电厂的位置均是基于经 图。表 １ 为该逆变器的额定参数值。
变 -bi 济、安全、逻辑的或环境的各种因素做出的战略性配置。 子 ig 而很多地区远离城市，不能得到适当的电能供应且输电成 特电 s.b 本昂贵。鉴于这些问题，分布式发电 （ＤＧ） 是有效解决问 比 bb 题的途径，因其发电和用电相隔很近而降低了输电成本。
（１６）
电压回路的增益定义为 ：
（１４）
式中，Ｐ 为控制器的比例增益，设计时应达到合适的
增益和相位边限，这里，Ｐ＝０．２６。式 （１６） 的其他参数在第 （１５） ３ 节已说明。控制器的各项参数值列于表 ２。
２ＤＯＦ 控制器的电压回路增益阐释了以下的稳定特性 ：
（９）
这将按下节（第 ３ 节）进行设计布局 ．
3 电流控制器设计
图 ７ 所示为 GｖＯ－ｖＣ（s） 的预示曲线。
4.1 PI 电压控制器
对于电流回路，选用了带下列传输函数的 Ｐ＋ 谐振控制器 ：
ＰＩ 控制器企图寻找一稳定无误差的系统响应。积分的
成比例的增益 Kｐ 可由下式确定
式中 GｖＯ－ｖＣ（s） 为传输函数，它将控制电压与输出电压联系 起来。
为参考信号的基波周期。这一特点可确保拒绝干扰和零误
图 １５ 中 Ｐ＋ 重复控制器的电压回路，具有如下的稳定
差的跟踪基准信号。
特性 ：fｃｖ＝５６９Ｈｚ，PＭ＝８１．５，GＭ＝６．１ｄｂ。
重复控制器主要由延迟 ｅ－ｓｔ 和在谐波频率引入高增益
压基准由外部基准提供，该外部基准可以是恒定的或可变
对于电压控制器的设计，必须利用传输函数 GｖＯ－ｖＣ（s）。
的，取决于它的应用场合。
其定义如下 ：
逆变器输出电压的控制通过控制器完成，该控制器是 按后面（第 ４ 节）设计布局的。对输出电流控制器的电流
（８）
基准，要求通过谐振控制器（或谐波控制器）来完成，而
136 磁性元件与电源·2013.08
图２ 运行点附近的逆变器平均等值模型
图 １ 逆变器的电路图
流至输出电压的传输函数 GVＯIＬ（s）。旨在将这些传输函数 应用于设计的控制线路图上。
图 ２ 所示为运行点附近逆变器的等值模型，逆变器的 负荷是电阻性的。图 ２ 中 D（t） 为在运行点的有荷因数 （ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ），而 D＇（t）＝２D（t）－１。
（１２）
控制器设计必须满足以下条件 ：
（１３）
该控制器 C１ 和 C２ 都按式 （１３） 设计，而式 （１５） 和 （１６）
图８ ＰＩ控制器的ＡＣＣ
图１０ ２ＤＯＦ控制器的ＡＣＣ
2013.08·磁性元件与电源 139
中包括 C１、C２
逆变器开关频率 （fｓｉ）
１６ｋＨｚ
装置和负载）等向系统馈电的。
负载电阻 （Rｌｏａｄ）
１７．１６Ω
单个微网主要由一个被称作逆变器的电子器件组成， 微网上的逆变器具备在独立电源和联网两种运行方式下工 作的能力。重要的是，逆变器在孤立电源运行方式下，不 论连接负载的性质如何，均应能产生一适当的电压波形，
fｃｖ＝９１０Ｈｚ，PＭ＝１１５°，GＭ＝７．２ｄｂ。 从图 １３ 可见，在谐波频率下的相位是零，这就意味着
控制器具有电阻性能，在高频率时的减小值可降低谐波电 压和 ＴＨＤｖ。
图１２ Ｐ＋谐振控制器的ＡＣＣ
图１３ Ｐ＋谐振控制器的电压回路预示曲线
4.4 重复控制器
重复控制是一种基于内部模式原理 （ＩＭＰ） 的控制方法， 它能跟踪周期的参考信号和拒绝周期的干扰。
大 :// 在这一新的发电方式下，通过将可再生能源注入电网 http 的联网方式和由孤立电源馈送局部负荷的不联网方式，能
表１ 所研制逆变器的参数
参 数 额定有功功率 （P） 直流回路电压 （Vｄｃ） 逆变器输出电压 （Байду номын сангаасｏ） 逆变器输出频率 （fｇ）
数 值 ３ｋＷ ４００Ｖ ２３０ＶＲＭＳ ５０Ｈｚ
Ri 为电流传感器的增益 （Ri＝０．２） 而 β 为电压传感器的
大h比tt特p://bbs. （暂载率）至电感器电流时的传输函数 GIＬd（s） ；电感器电 增益 （β＝０．００６）。
图３ 逆变器的小信号模型
图４ 逆变器的平均电流控制（ＡＣＣ）线路图
2013.08·磁性元件与电源 137
对电流回路的设计感兴趣的传输函数是从有荷因数到 式 中，ωＣｉ＿ｄｅｓｉｒｅｄ 为 电 流 回 路 的 跨 接 角 频 率， 这 里 选 择
（６）
作用是降低由比例控制器产生的稳态误差，这一控制器的 设计是按图 ８ 的结构得到的。
ＰＩ 控制器的表达式由下式给出 ：
（７）
（１０）
138 磁性元件与电源·2013.08
式中，Zａ 为与输出电容器并联的负载阻抗，而 VＤＣ 为至逆 变器的输入电压。
特性的电流回路 ：fｃｉ＝１．９２ｋＨｚ（增益跨接频率），PＭ＝６２．１° （相位边限），Gｍ＝８．２ｄｂ（增益边限）。
图 ６ 表示接图 ４ 描述电流回路的预示曲线，这被定义为 ：
（５）
Ｔｊ（ｓ）＝ＧｉＬ－ｄ．Ｆｍ．Ｒｉ．Ｇｓ（ｓ）
在运行点的电感器电流 IＬ（t） 和有荷因数 D（t） 可表示 如下 ：
2.2 用于逆变器中的控制线路图
电感器电流和输出电压均由逆变器所控制。对此，执 行的是一种平均电流控制 （ＡＣＣ），该线路图示于图 ４。其 中 GＶ（s） 代表电压控制回路控制器 ；Gｓ（s） 表示电流控制回 路控制器；RD（s） 是一个开关周期 （Tｓ） 数字延迟的传输函数， 定义如下 ：
图 ５ 表示 GIＬd（s） 的预示 （Ｂｏｄｅ） 曲线图。
器论坛 com 图６ 电流回路的预示曲线图
子变压ig-bit. 图５ GIＬd（s）的预示曲线图 特电 bs.b 图 ４ 所示控制线路图的优点是 ：电感器电流传输函数 大比 //b 具有较平缓均匀的响应曲线。此外，控制器比产生交流的 p: 电流注入控制 （ＣＩＣ） 显示出较小的畸变。 htt 电流控制模式的运行如下 ：在输出电压控制器上的电
4 电压控制器设计
电压控制器是通过平均电流控制 （ＡＣＣ） 调节逆变器的 输出电压 Ｖｏ，且对电流控制器设定基准。现已开发出比例 － 积分 （ＰＩ） 控制器，两自由度控制器 （２ＤＯＦ），谐振控制器 和重复控制器。
当逆变器馈电至线性负载和非线性负载时，这些控制 器旨在获得一良好的基准跟踪和减少输出电压的谐波失真。
为了由一非线性电路如开关的变换器，形成一线性的
本文阐述且分析了降低 ＴＨＤｖ 的四种控制器形式（包 反馈控制，其功率段必须是线性的。在运行点附近小的干
括比例 － 积分控制器，两级自由度控制器，谐振控制器和 扰下，开关的变换器有一小信号的线性模，因为这一模型
重复控制器）。
的线性，控制器可设计成近似带不同特性的控制回路。
在基波的谐波频率下，输出阻抗具有电阻性能，这一
的正反馈组成。为了衰减在那些谐波频率的增益，引入低 性能为将 ＴＨＤｖ 减到最小是理想的，且类似于重复控制器
图９ ＰＩ控制器电压回路的预示曲线
图７ GｖＯ－ｖＣ（s）的预示曲线
按照图 １０，得到下列传输函数 ：
图 ９ 为按图 ８ 所示控制器的电压回路预示曲线，其
定义为 ：Tｖ（s）＝GｖＯ－ｖＣ（s）·β·ＰＩ（s），带 ＰＩ 控制器的该电压
（１１）
回路具有以下的稳定特性 ：fｃｖ＝７８０Ｈｚ（增益跨接频率），
（２）
压器论坛t.com （１） 变 -bi 基于运行点附近的小扰动，可建立小信号的模型（图 ３）。
Ｆｍ 为双极 ＰＷＭ 调制的增益，由下式给出 ： （３）
电子 big 根据图 ３ 中的模型，获得如下的传输函数 ：有荷因数
输出电流，由式 （４） 表达 ：
ωＣｉ＿ｄｅｓｉｒｅｄ＝２π．１８００ｒａｄ／ｓ。
（４）
对这一应用，已选择下列参数 ：K１＝１００，B１＝２πｒａｄ， ω１＝２π ．５０ｒ ａ ｄ ／ ｓ。 这 一 控 制 器 的 实 现， 产 生 具 有 以 下 稳 定
fｃｖ＝７９７Ｈｚ，PＭ＝８８．８５°，GＭ＝６．３ｄｂ。图 １１ 为 ２ＤＯＦ 控制器 谐波
的电压回路预示曲线。 １
4.3 谐振电路控制器
３
表 ２
增益
ＢＷ
Ｋ１
２８
Ｋ３
１２
２π０．５ ２π１．５
本节已设计 Ｐ＋ 谐振电压控制器如图 １２ 所示。这一控
５
Ｋ５
８
２π２．５
制器旨在改善基准跟踪和多重基波分量的衰减。
关键词 ：逆变器，总谐波失真 （ＴＨＤ），两自由度控制器，重复控制器，谐振控制器
中图分类号 ：TN86 文献标识码 ：B 文章编号 ：1606-7517(2013)08-8-136
坛 1 引言
2 研制完成的单相逆变器
器论 com 今天，世界上大多数国家都在利用由热电厂、水电厂
图 １ 所示为已研制成的 Ｈ 桥双极 ＰＷＭ 逆变器的电路
降低逆变器电压中总谐波失真的控制技术
Control Techniques of Reducing Inveter Voltage THD
邓隐北，刘铭，徐壮
郑州 ４５００００
摘 要 ：本文阐述了四种控制技术（比例 － 积分，两自由度，重复和谐振）的设计、分析与实现，旨在降低电压的总谐波 失真。当逆变器以电压源工作时，对于离网的孤立运行，这些技术是有效的。在馈电给非线性负载下，要保持电 压波形、频率及幅度均符合 ＩＥＥＥ５１９ 标准。为了验证这些控制技术，实施了由逆变器模拟推导出的各种比较分析。
内模原理是把作用于系统的外部信号的动力学模型植 入控制器以构成高精度反馈控制系统的一种设计原理。逆 变器采用重复控制的目的是为了消除因整流桥负载引起的 输出电压波形周期性的畸变。其控制思想是假定前一周期 出现的输出电压波形畸变将在下一周期的同一时刻再次出
140 磁性元件与电源·2013.08
现，控制器根据参考信号和输出电压反馈信号的误差来确 定所需的校正信号，然后在下一个基波周期将此校正信号
将这二种方式结合起来而提供一种运行接口 （ｉｎｔｅｒｆａｃｅ） 是
逆变器电感 （L）
５．４６ｍＨ
可行的，这种接口被称之为微型网络 （ｍｉｃｒｏｇｒｉｄｓ）。通常，
逆变器输出电容 （C）
４．７μＦ
微型网络是由低压和中等电压系统组成的，是由分布式电
衰减电阻 （Rｄ）
５Ω
源，例如微型透平机，燃料电池，光伏发电系统（带储能