基于SPWM控制的电压电流双环逆变器建模及其仿真图文精.docx
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基于SPWM控制的电压电流双环逆变器建模及其仿真图文精
中国舰船研究第4卷第5期2009年10月中国舰船研究ChineseJournalofShip
ResearchVol.4No.5
Oct.2009收稿日期:
2008-09-03
作者简介:
朱承邦(1963-,男,高级工程师。
研究方向:
雷达应用
1引言
现代科技发展日新月异,各类电气设备对电源的品质要求也越来越高。
逆变供电作为一种有效的电力供应形式,已广泛应用于生产生活的各个领域。
为了不断改善逆变器输出性能,人们发展出了多种逆变器控制方法,常见的有:
电压瞬时值控
制、电流滞环控制、电流预测控制、鲁棒控制[1]、重复控制[2,3]、滑模控制[4]
及SPWM电流控制等。
就各种逆变器控制策略的特点来看,基于SPWM的电压电
流双环逆变器控制是一种较好的控制方法[5,6]。
本文针对电压电流双环逆变器控制模型,设计了电流内环和电压外环的控制参
数,对设计的双环控制逆变器模型进行了仿真分析,分析结果
基于SPWM控制的电压、电流双环
逆变器建模及其仿真
朱承邦1
王晓鹏2
1大连船舶重工集团有限公司军事代表室,辽宁大连1160052中国舰船研究设计
中心湖北武汉430064
要:
基于SPWM的电压电流双环逆变器控制相对其他逆变器控制策略具有一定
优越性,但其控制器参数设
计却是一个重点和难点。
针对逆变器的SPWM电压电流双环控制策略,建立了
系统的控制模型,设计了电流内环和电压外环的控制器参数,并根据经典控制理论的
判据,分别对控制器电流内环和电压外环参数进行了理论验证。
最后根据设计的控
制器参数,对SPWM电压电流双环控制系统模型进行了仿真分析,结果表明,系统设计合理,效果满意。
关键词:
SPWM;逆变器;电压电流双环;仿真中图分类号:
TM743
文献标志码:
A
文章编号:
1673-3185(200905-54-05
ModelingandSimulationofVoltageandCurrentDoubleLoopControlBasedon
SPWMInverters
ZhuCheng-bang1LiLe2WangXiao-peng2
1TheNavalRepresentativeOffice,DalianShipbuildingHeavyIndustryCo.,Dalian116005,China
2ChinaShipDevelopmentandDesignCenter,Wuhan430064,China
Abstract:
Comparingwithotherinverterscontrolstrategy,voltageandcurrentdoubleloopcontrolbasedonSPWMinvertersaresuperiorincapabilitiesthoughthecontrollerparametersdesignissignificantanddifficult.Inthispaper,thesystemcontrolmodelhasbeenconstructedintermsofinvertersofSPWMvoltageandcurrentdoubleloopcontrolstrategy,andthecurrentinnerloopandvoltageouterloopcontrollerparametersdesignhasbeenproposedwiththeoreticalvalidationofclassiccontroltheorycriterion.TheSPWMvoltageandcurrentdoubleloopcontrolsystemmodelsimulationprovidedwithdesignedcontrollerparametersshowsthatthesystemdesignisreasonableandtheeffectissatisfying.Keywords:
SPWM;inverter;voltageandcurrentdoubleloop;simulation
证明了系统参数设计的合理性。
2双环控制逆变器结构
基于SPWM的电压电流双环逆变器控制原理图如图1所示,外环为瞬时电压环
控制,输出电压与参考正弦基准比较,误差信号经过PI控制器调节后作为电流内环基
准;内环为电流环,电感电流瞬时值与电流基准比较产生的误差信号与三角波载波比
较后产生SPWM控制信号。
由于采用电感电流作为内环,因此这种控制方法有输出
限流的功能,即使在输出短路的情况下,输出电流也不会很大,而是被限定在设定的电
流值。
这增加了系统的可靠性,对逆变器过载有较好的保护作用。
3控制器参数设计
忽略电感L、电容C的寄生电阻,电压电流双环逆变器控制框图[7]如图2所
示。
其中E为直流母线电压,R为负载阻抗丄为滤波电感值,C为滤波电容值,KL为
内环电流检测系数,KU为外环电压检测系数,KPWM为PWM环节等效增益。
输出
电压与给定参考信号相比较,得到的误差信号经外环PI调节器(KPS+KI/S,其输出作为内环给定信号。
内环给定信号与输出电流比较,得到的误差信号经内环比例调节
器K倍运算,得到了内环的控制信号,最后送入PWM调制器控制PWM脉冲的产
生。
3.1电流内环设计
根据图2的电压电流双环逆变器控制框图[8],提取其中的电流内环部分作为分析和研究的对象[9]。
由于电流内环中间含有反馈分量输出电压UO,为了简化设计
过程,我们假定在一个开关周期内,输出电压UO近似不变,得到简化的电流内环框图3。
假设不存在比例系数K时,电流内环的开环传递函数为:
GLK=KL
Ls
(1
此时电流通路为一阶系统,当添加了比例系数为K反馈环后,系统的开环传递函
数为:
GLK'=KKL(2
假设电流检测装置的输入输出比值为1:
500,检测电阻选取为200Q由此得到
比例系数KL为:
KL=1
500
X200=0.4(3
根据理论上的限制是将剪切频率设定为开关频率的一半,为了达到较好的控制
效果,以少于1/5的开关频率(Fs=20kHz来使用较为恰当。
因此选择剪切频率为
4kHz。
将各参数代入式(2,可得出比例系数k的取值。
KX0.4
1.2X0-3X(jCD
3=2nX4000
=1(4求解式(4得:
K=75。
通过各个系数可得电流内环的闭环传递函数GLB为:
GLB=
KKL
Ls
1+KKL
Ls
=25000
s+25000
(5
由式(1和式(2可得
GLK=KL=333.33(6
GLK’=KKL
Ls
=25000
(7
根据式(6和式(7分别画出开环传递函数伯德图,其中图4(a为无比例环节的电流开环传递函数伯德图,(b为有比例环节的电流开环传递函数伯德图。
朱承邦等:
基于SPWM控制的电压、
/;
5月'Ei
电流双环逆变器建模及其仿真55
中国舰船研究通过图4可以明显看出,增加了比例系数K后的电流开环传递函
数伯德图在幅频特性L(3
》0勺频段内,相频特性©(并不穿越-n线,而
系统的开环传递补函数在S平面右半部无极点,故系统在闭环时必然稳定。
3.2电压外环设计
设计电压环时,这里认为电流环的输出已经
能够跟踪输入,在设计电压外环的过程中,将电流环等效于增益为1的比例环节,
电压外环框图如图5。
HPM三-U■爭器
在电压外环没有加入PI调节器以前,电压外环的开环传递函数GUK为:
GUK=KUR
RCs+1
(8
为了使系统能够得到更好的动态性能,消除
输出电压UO的稳态误差,这里引入PI调节器进行补偿,其开环传递函数G
UK
GUK‘=KPs+KIsKURRCs+1
=KUR(KPs+KIs(RCs+1(9
这里设定电压环的电压检测系数KU=0.01,电阻
R=50Q电容C=10卩F没有加入PI调节器以
前,电圧外环由比例环节和惯性环节组成,系统的转折频率3C为:
3C=1RC
=2000rad/s
(10
PI环节的转折频率设为3140rad/s添加了PI环
节后整个系统的剪切频率为6280rad/s联立式(8和式(9,建立以下方程。
=3140KUR(KPs+KIs=j6280
=>>>>>>>>>>>>>
(11
求解式(11得
KP=5.89KI
=1849>5
得到PI控制器的传递函数GPI为:
GPI=5.89s+18495
由式(9和式(12,计算出加入了PI控制器
的电压闭环传递函数GUB:
GUB=
KUR(KPs+KIs(RCs+11+KUR(KPs+KI
s(RCs+1
=5.89
X103S+1.85W7
(13
通过式(8和式(9分别求得
GUK=
1000s+2000
(14GUK‘=5890
s+1.85107
(15
根据式(14、式(15分别画出各开环传递函数的伯德图,其中图6(a是PI补偿前
电压环的开环传递函数伯德图,图6(b是PI补偿后电压环的开环传递函数伯德图。
可以看出,PI补偿后电压环的开环传递函数伯德图相角裕量为81.5:
闭环系统具有
较好的稳态裕量。
4逆变器的仿真分析
在MATLAB的Simulink模块仿真环境中,建
立了基于SPWM的电压电流双环控制逆变器仿真模型[10-12],表1是建模系统
的主要参数,仿真结
(a无比例环节
555045403530Magnitude/dB
Frequency/rads
-1
-89-89.5-90-90.5-91Phase/(100
101
(b有比例环节
图4电流环的开环传递函数伯德图
908580757065Magnitude/dB
Frequency/rads-1-89-89.5-90-90.5
-91Phase/(10010
第5期表1
逆变器的主要参数
(r
lir
「?
I-T
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*
-?
.-L-_w4kla
开
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b艸碍吧叮屯F汕
鬧h电恒压的1UT怜坪皿le冋
母线电压EN滤波电感L/mH滤波电容C/卩负载R/Q输出电压有效值UO
输出频率F/Hz采样频率Fs/Hz
4501.210502205020000
果见图7。
图7(a和(b是逆变器从满载到断路时输出电流和电压的波形,(c和(d是逆变器
从半载到满载时输出电流和电压波形。
由仿真波形可知,逆变器输出电压波形响应
迅速,无不良畸变,负载调整时系统抗干扰能力强,逆变器控制系统具有较好的负载动
态性能和稳态性能,逆变器系统及控制参数设计合理。
5结束语
本文根据SPWM控制的电压电流双环逆变
器模型,对控制器的参数设计进行了重点讨论。
其中内环的电流环采用比例调
节,以提高系统的快速性和动态性能;外环的电压环采用PI调节,增
朱承邦等:
基于SPWM控制的电压、
电流双环逆变器建模及其仿真
57
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理论与应用中几个理论问
题[C]//中国造船工程学会修船技术学术委员会.船舶维修理论与应用论文集(9,北京:
中国造船工程学会,
2007.
(上接第53页
加系统的稳定性和消除静态误差。
仿真分析表明,系统具有较好的动态性能和
稳态性能,参数设计合理。
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