基于双环控制的单相电压型PWM逆变器建模与仿真
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图 3 双环控制系统框图
图 2 逆变器的等效框图
4
仿真模型
由于等效电阻 r 很小， 逆变器可以近似看作一 无阻尼二阶振荡环节。这时， 系统对扰动的抑制能 力比较弱， 采用一定的控制策略可以加大整个系统 的阻尼， 达到快速性和稳定性的要求。
1 引言
近年来， 随着石油 、 煤和天然气等不可再生能 源日趋紧张， 节能降耗越来越被人们所重视， “十一 五 ” 规划纲要明确提出到 2010 年单位 GDP 的增 长，能源消耗要降低 20％ ，污染物的排放要降低 10％的指标。目前， 照明用电约占全球总体用电的 20％， 节能潜力巨大。 逆变电路可实现直流电能到交流电能的变换， 已被广泛地应用于电力系统、 家用电器、 交通运输、 工业电源和航空航天等领域。 将逆变技术应用于照 明系统节能， 既可以利用绿色能源 （太阳能和风能 等） ， 减少对环境的污染； 同时也可以节约电量， 提 高能源效率。 高性能逆变电源要求满足： 高逆变效率， 高速 动态响应， 高稳态精度， 高系统稳定性和可靠性， 高
杨会敏，宋建成
（太原理工大学 电气与动力工程学院，山西 太原 030024 ） 摘要：研究了基于双环控制的单相电压型 PWM 逆变器在 Matlab/Simulink 下的建模与仿真。 基于状态空间平 均法建立了单相电压型 PWM 逆变器的数学模型， 提出了电压电流双环控制策略， 构建了 10 kVA 单相电压 型 PWM 逆变器的 Simulink 模型， 并进行了特性仿真。仿真结果表明， 在不同运行条件下， 基于该控制策略的 逆变器动态响应快， 鲁棒性强， 输出电压总谐波畸变率低。 关键词：PWM 逆变器；建模与仿真；状态空间平均法；双环控制 中图分类号：TM464 文献标识码：A
400 300 200 100 0 -100 -200 -300 0 0.04 0.08 0.12 （ t s ） 0.16 0.2 2T io /A Uc /V
基于双环控制的单相电压型 PWM逆变器建模与仿真
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PWM Ug PWM + + DC400V g A B r L
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Βιβλιοθήκη Baidu
Uc /V
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单相全桥 node1
+v -
-200 -300 0 0.04 0.08 （ t s ） 0.12 0.16 0.2
［1］ 智能化 。 本文基于状态空间平均法建立单相电压
电压型 PWM 逆变器进行了建模仿真。通过仿真实 验，验证了在该控制策略下逆变器具有动态响应 鲁棒性强、 THD 低等优点。 快、
2
单相电压型逆变器数学模型
带 LC 滤波器的单相逆变器的主电路结构如
C 为滤波电 图 1 所示。图 1 中 L 为输出滤波电感， 容， r 为综合了线路电阻、滤波电感等效串联电阻、 开关管压降和死区效应等因素的等效电阻。 逆变器 工作在单极性 PWM 方式， 直流电压源 E 通过功率
3 双环控制策略
双环控制通常指内外环控制，如内环控制速 度， 外环控制位移； 或者内环控制电流， 外环控制电 压等，内外环控制通常能够改善系统的动态特性。 电压外环、 电流内环的双环控制通过采样滤波电感 电流 iL 或滤波电容电流 iC 和滤波电容电压 uC， 用 外环电压误差的控制信号去控制电流， 通过调节电 电流内环能够扩大 流使输出电压跟踪参考电压值。 逆变器控制系统的带宽，使得逆变器动态响应加 快， 输出电压的谐波含量减小［4-6］。 电压电流双环控 制是高性能逆变电源的发展方向之一。 选择滤波电容电流 iC 作为内环反馈可以使 iC 被瞬时控制，从而使得输出电压 uC 因 iC 的微分作 用而提前得到矫正，逆变器具有较强的带负载能 力， 因而选择 iC 作为内环反馈在电压型逆变器中应 用比较广泛。但是， 这种方式无法对逆变器进行限 流保护。 由于对逆变器的过流保护必须限制输出滤 波电感的电流， 因此， 选择电感电流 iL 作为内环反 由于 iL 为 iC 和负载扰动之和， 内环在抑 馈。但是， 制 iC 变化的同时也抑制了输出电流 iO 的突变， 因 此抗输出扰动性能比较差 。为改善抗负载扰动性 能， 电流内环采用电感电流瞬时反馈和负载扰动前 馈补偿相结合的控制策略。 单相逆变器双环控制系统框图如图 3 所示。电 压外环采用 PI 调节器，使得输出电压波形瞬时跟踪 电 给定值； 电流内环也采用 PI 调节器跟踪给定电流， 流调节器的比例环节用来增加逆变器的阻尼系数， 使整个系统工作稳定， 并且保证有很强的鲁棒性。
Modeling and simulation of a single-phase voltage PWM inverter based on dual-loop control
YANG Hui-min, SONG Jian-cheng （College of Electrical and Dynamical Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China ） Abstract: The modeling and simulation on Matlab/Simulink of a single -phase voltage PWM inverter based on dual-loop control is studied. The mathematical model of a single-phase voltage PWM inverter is set up based on state-space average method. The voltage current dual-loop control strategy is proposed， and 10 kVA single-phase voltage PWM inverter is modeled and the simulation of performances is carried out. The simulation results verify that in different operation modes the inverter with this control strategy has advantages such as rapid dynamic response character, strong robustness and low total harmonic distortion （THD ） of the output voltage. Key words: PWM inverter；modeling and simulation；state-space average method；dual-loop control
2009 年 第 31 卷 第 1 期 第 15 页
电气传动自动化 ELECTRIC DRIVE AUTOMATION
Vol．31， No．1 2009， 31 （1 ） ： 15～ 18
文章编号： 1005—7277 （2009 ） 01—0015—04
基于双环控制的单相电压型 PWM 逆变器建模与仿真
在 Matlab/Simu1ink 下构建的逆变器仿真模型 该模型主要有三部分： 主电路、 控制器 如图 4 所示。 和 PWM 脉冲生成模块。控制器实现电压电流双环 控制， 为产生 PWM 脉冲提供调制信号。PWM 脉冲 生成模块采用单极性倍频调制方式［7］。
2009 年 第 1 期
杨会敏， 宋建成
200 100 0 -100 -200 -300 0 0.04 0.08 （ t s ） 0.12 0.16 0.2
（c ）突加突减负载运行 800 600 400 200 0 -200 -400 -600 -800 0 0.04 0.08 （ t s ） 0.12 0.16 0.2 2T
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型 PWM 逆变器的数学模型， 采用电压电流双环控 制， 针对用于照明系统逆变电源， 对 10 kVA 单相
图 1 单相电压型逆变器主电路结构图
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电气传动自动化
2009 年 第 1 期
开关器件向负载提供交流电， 功率开关在每个周期 内开通和关断一次， 逆变桥的输出电压 ui 可以取 3 个值： +E 、 0 和-E。 将源于 DC/DC 变换器分析建模的状态空间平 均法应用于 DC/AC 逆变器所建立的数学模型， 能 够反映大多数情况下逆变器系统中状态的中低频 变化规律， 适用于系统控制的分析设计［2-3］。 选择滤 可 波电容电压 uC 和滤波电感电流 iL 为状态变量， 得逆变器的连续状态空间方程如下： 1 0 0 -1 觶C u C uC C ui = + （1 ） 1 r i 1 i 觶 L o iL 0 L L L ） 进行拉普拉斯 （Laplas ） 变换后可以得到： 对式 （1 1 Ls+r u（ ） = u （ ） + io （s ） （2 ） C s i s LCs2+rCs+1 LCs2+rCs+1 ） 可以看出， 逆变器空载时的阻尼最小， 振荡 由式 （2 性最剧烈， 控制难度最大， 因此控制器的设计要基 于空载来进行。 空载时， 负载电流 io =0， 从调制器输 入端到逆变器的滤波器输出端电压的传递函数为： ）= 1 C s u（ ） = u（ （3 ） C s 2 u （ s ） LCs + rCs+1 i 根据各变量之间的内在联系， 得到逆变器的等效框 图如图 2 所示。从图 2 中可以看出， 这是一个双输 入、 单输出的二阶线性系统， ui 和 io 为系统的输入。 图2中Z （s ） 为负载阻抗， 由于负载阻抗的多样性， 即使负载上的电压为纯正弦波， 负载电流也可能是 任意波形。 若把负载电流 io 处理为控制系统的一个 扰动输入信号， 当逆变器带非线性负载时， 负载的 非线性也仅表现在扰动的非线性上。 这样的负载模 型具有较强的代表性， 而且数学模型形式简单不依 赖于具体的负载类型。
Uc /V
5 仿真结果分析
在四种不同运行条件下进行仿真实验： （1 ） 额定负载正常运行； （2 ） 直流电源含有谐波 （有效值为 50 V， 频率为 150 Hz ） 运行； （3 ） 突加突减额定负载运行， 逆变器先空载运 行， 在 0.04 s 突加额定负载， 到 0.14 s 时突然甩掉 全部负载； ） 能量回馈运行， 负载中含有交流电源 （有效 （4 值为 400 V， 50 Hz ） ， 能量向直流侧回馈。 四种运行条件下，负载电流 iO 和输出电压 Uc 波形分别如图 5 （a ） 、 （b ） 、 （c ） 、 （d ） 所示。
（b ）直流电源含谐波运行
图 4 主电路仿真模型
400 300
2T
io /A
Uc /V
根据整个系统的闭环特征方程， 综合考虑系统 的控制要求， 选取阻尼比和自然角频率， 可以得到 考虑到照明系统控制的性能要 系统控制器的参数。 求， 在此基础上确定的最终系统仿真参数为： ①直 流母线电压： E =400 V； ② 额定输出电压： Uo =200 ③ 额定输出电压频率：f =50 Hz； ④ 额定输出功 V； 率：S=10 kVA； ⑤额定功率因数： cos准=0．8； ⑥开关 频率：fc=20 kHz； ⑦ 滤波电感： L =9 mH； ⑧ 滤波电 容：C=1200 μF； ⑨等效电阻： r=0.05 Ω。
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图 3 双环控制系统框图
图 2 逆变器的等效框图
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仿真模型
由于等效电阻 r 很小， 逆变器可以近似看作一 无阻尼二阶振荡环节。这时， 系统对扰动的抑制能 力比较弱， 采用一定的控制策略可以加大整个系统 的阻尼， 达到快速性和稳定性的要求。
1 引言
近年来， 随着石油 、 煤和天然气等不可再生能 源日趋紧张， 节能降耗越来越被人们所重视， “十一 五 ” 规划纲要明确提出到 2010 年单位 GDP 的增 长，能源消耗要降低 20％ ，污染物的排放要降低 10％的指标。目前， 照明用电约占全球总体用电的 20％， 节能潜力巨大。 逆变电路可实现直流电能到交流电能的变换， 已被广泛地应用于电力系统、 家用电器、 交通运输、 工业电源和航空航天等领域。 将逆变技术应用于照 明系统节能， 既可以利用绿色能源 （太阳能和风能 等） ， 减少对环境的污染； 同时也可以节约电量， 提 高能源效率。 高性能逆变电源要求满足： 高逆变效率， 高速 动态响应， 高稳态精度， 高系统稳定性和可靠性， 高
杨会敏，宋建成
（太原理工大学 电气与动力工程学院，山西 太原 030024 ） 摘要：研究了基于双环控制的单相电压型 PWM 逆变器在 Matlab/Simulink 下的建模与仿真。 基于状态空间平 均法建立了单相电压型 PWM 逆变器的数学模型， 提出了电压电流双环控制策略， 构建了 10 kVA 单相电压 型 PWM 逆变器的 Simulink 模型， 并进行了特性仿真。仿真结果表明， 在不同运行条件下， 基于该控制策略的 逆变器动态响应快， 鲁棒性强， 输出电压总谐波畸变率低。 关键词：PWM 逆变器；建模与仿真；状态空间平均法；双环控制 中图分类号：TM464 文献标识码：A
400 300 200 100 0 -100 -200 -300 0 0.04 0.08 0.12 （ t s ） 0.16 0.2 2T io /A Uc /V
基于双环控制的单相电压型 PWM逆变器建模与仿真
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［1］ 智能化 。 本文基于状态空间平均法建立单相电压
电压型 PWM 逆变器进行了建模仿真。通过仿真实 验，验证了在该控制策略下逆变器具有动态响应 鲁棒性强、 THD 低等优点。 快、
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单相电压型逆变器数学模型
带 LC 滤波器的单相逆变器的主电路结构如
C 为滤波电 图 1 所示。图 1 中 L 为输出滤波电感， 容， r 为综合了线路电阻、滤波电感等效串联电阻、 开关管压降和死区效应等因素的等效电阻。 逆变器 工作在单极性 PWM 方式， 直流电压源 E 通过功率
3 双环控制策略
双环控制通常指内外环控制，如内环控制速 度， 外环控制位移； 或者内环控制电流， 外环控制电 压等，内外环控制通常能够改善系统的动态特性。 电压外环、 电流内环的双环控制通过采样滤波电感 电流 iL 或滤波电容电流 iC 和滤波电容电压 uC， 用 外环电压误差的控制信号去控制电流， 通过调节电 电流内环能够扩大 流使输出电压跟踪参考电压值。 逆变器控制系统的带宽，使得逆变器动态响应加 快， 输出电压的谐波含量减小［4-6］。 电压电流双环控 制是高性能逆变电源的发展方向之一。 选择滤波电容电流 iC 作为内环反馈可以使 iC 被瞬时控制，从而使得输出电压 uC 因 iC 的微分作 用而提前得到矫正，逆变器具有较强的带负载能 力， 因而选择 iC 作为内环反馈在电压型逆变器中应 用比较广泛。但是， 这种方式无法对逆变器进行限 流保护。 由于对逆变器的过流保护必须限制输出滤 波电感的电流， 因此， 选择电感电流 iL 作为内环反 由于 iL 为 iC 和负载扰动之和， 内环在抑 馈。但是， 制 iC 变化的同时也抑制了输出电流 iO 的突变， 因 此抗输出扰动性能比较差 。为改善抗负载扰动性 能， 电流内环采用电感电流瞬时反馈和负载扰动前 馈补偿相结合的控制策略。 单相逆变器双环控制系统框图如图 3 所示。电 压外环采用 PI 调节器，使得输出电压波形瞬时跟踪 电 给定值； 电流内环也采用 PI 调节器跟踪给定电流， 流调节器的比例环节用来增加逆变器的阻尼系数， 使整个系统工作稳定， 并且保证有很强的鲁棒性。
Modeling and simulation of a single-phase voltage PWM inverter based on dual-loop control
YANG Hui-min, SONG Jian-cheng （College of Electrical and Dynamical Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China ） Abstract: The modeling and simulation on Matlab/Simulink of a single -phase voltage PWM inverter based on dual-loop control is studied. The mathematical model of a single-phase voltage PWM inverter is set up based on state-space average method. The voltage current dual-loop control strategy is proposed， and 10 kVA single-phase voltage PWM inverter is modeled and the simulation of performances is carried out. The simulation results verify that in different operation modes the inverter with this control strategy has advantages such as rapid dynamic response character, strong robustness and low total harmonic distortion （THD ） of the output voltage. Key words: PWM inverter；modeling and simulation；state-space average method；dual-loop control
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电气传动自动化 ELECTRIC DRIVE AUTOMATION
Vol．31， No．1 2009， 31 （1 ） ： 15～ 18
文章编号： 1005—7277 （2009 ） 01—0015—04
基于双环控制的单相电压型 PWM 逆变器建模与仿真
在 Matlab/Simu1ink 下构建的逆变器仿真模型 该模型主要有三部分： 主电路、 控制器 如图 4 所示。 和 PWM 脉冲生成模块。控制器实现电压电流双环 控制， 为产生 PWM 脉冲提供调制信号。PWM 脉冲 生成模块采用单极性倍频调制方式［7］。
2009 年 第 1 期
杨会敏， 宋建成
200 100 0 -100 -200 -300 0 0.04 0.08 （ t s ） 0.12 0.16 0.2
（c ）突加突减负载运行 800 600 400 200 0 -200 -400 -600 -800 0 0.04 0.08 （ t s ） 0.12 0.16 0.2 2T
io /A
iL L iO
T1
T3
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型 PWM 逆变器的数学模型， 采用电压电流双环控 制， 针对用于照明系统逆变电源， 对 10 kVA 单相
图 1 单相电压型逆变器主电路结构图
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2009 年 第 1 期
开关器件向负载提供交流电， 功率开关在每个周期 内开通和关断一次， 逆变桥的输出电压 ui 可以取 3 个值： +E 、 0 和-E。 将源于 DC/DC 变换器分析建模的状态空间平 均法应用于 DC/AC 逆变器所建立的数学模型， 能 够反映大多数情况下逆变器系统中状态的中低频 变化规律， 适用于系统控制的分析设计［2-3］。 选择滤 可 波电容电压 uC 和滤波电感电流 iL 为状态变量， 得逆变器的连续状态空间方程如下： 1 0 0 -1 觶C u C uC C ui = + （1 ） 1 r i 1 i 觶 L o iL 0 L L L ） 进行拉普拉斯 （Laplas ） 变换后可以得到： 对式 （1 1 Ls+r u（ ） = u （ ） + io （s ） （2 ） C s i s LCs2+rCs+1 LCs2+rCs+1 ） 可以看出， 逆变器空载时的阻尼最小， 振荡 由式 （2 性最剧烈， 控制难度最大， 因此控制器的设计要基 于空载来进行。 空载时， 负载电流 io =0， 从调制器输 入端到逆变器的滤波器输出端电压的传递函数为： ）= 1 C s u（ ） = u（ （3 ） C s 2 u （ s ） LCs + rCs+1 i 根据各变量之间的内在联系， 得到逆变器的等效框 图如图 2 所示。从图 2 中可以看出， 这是一个双输 入、 单输出的二阶线性系统， ui 和 io 为系统的输入。 图2中Z （s ） 为负载阻抗， 由于负载阻抗的多样性， 即使负载上的电压为纯正弦波， 负载电流也可能是 任意波形。 若把负载电流 io 处理为控制系统的一个 扰动输入信号， 当逆变器带非线性负载时， 负载的 非线性也仅表现在扰动的非线性上。 这样的负载模 型具有较强的代表性， 而且数学模型形式简单不依 赖于具体的负载类型。
Uc /V
5 仿真结果分析
在四种不同运行条件下进行仿真实验： （1 ） 额定负载正常运行； （2 ） 直流电源含有谐波 （有效值为 50 V， 频率为 150 Hz ） 运行； （3 ） 突加突减额定负载运行， 逆变器先空载运 行， 在 0.04 s 突加额定负载， 到 0.14 s 时突然甩掉 全部负载； ） 能量回馈运行， 负载中含有交流电源 （有效 （4 值为 400 V， 50 Hz ） ， 能量向直流侧回馈。 四种运行条件下，负载电流 iO 和输出电压 Uc 波形分别如图 5 （a ） 、 （b ） 、 （c ） 、 （d ） 所示。
（b ）直流电源含谐波运行
图 4 主电路仿真模型
400 300
2T
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Uc /V
根据整个系统的闭环特征方程， 综合考虑系统 的控制要求， 选取阻尼比和自然角频率， 可以得到 考虑到照明系统控制的性能要 系统控制器的参数。 求， 在此基础上确定的最终系统仿真参数为： ①直 流母线电压： E =400 V； ② 额定输出电压： Uo =200 ③ 额定输出电压频率：f =50 Hz； ④ 额定输出功 V； 率：S=10 kVA； ⑤额定功率因数： cos准=0．8； ⑥开关 频率：fc=20 kHz； ⑦ 滤波电感： L =9 mH； ⑧ 滤波电 容：C=1200 μF； ⑨等效电阻： r=0.05 Ω。