直镌电凉技术 ２０１０年１１月２５日第２７卷第６期 ＮＯＶ．２５，２０１０，Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．６ 文章编号：１００９—３６６４（２０１０）０６—００１９—０４ 薯 弃菱≥ 基于交流调节器的正弦波逆变器波形控制研究 刘畅 ，吕 清 （１．长江三峡能事达电气股份有限公司，湖北武汉，４３００７０ ２．空军雷达学院，湖北武汉，４３００１９） 摘要：瞬时值反馈型正弦波逆变器因其对非线性负载适应能力强，受到应用者的关注，是有前景的一种逆变器控制 方式，但其控制器设计方法尚不如直流控制系统的控制器成熟，是当前急需解决的一个应用问题。文章首先针对线性时 不变交流反馈控制系统的特点，讨论了直流控制系统的调节器不能直接用于交流控制系统的原因，然后给出了适用于线 性时不变交流控制系统的交流调节器设计方法，以一个瞬时值反馈正弦波逆变器的控制回路设计问题为例进行了应用性 研究，取得了预期的结果。 关键词：正弦波逆变器；交流调节器；瞬时值控制；无静差控制 中图分类号：ＴＭ４６１．５ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｗａｖｅｆｏｒｍ Ｃｏｎｔｒｏ１ ｏｆ Ｓｉｎｕｓｏｉｄａ１ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＣ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ＬＩＵ Ｃｈａｎｇ ，ＬＶ Ｑｉｎ （１．Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｎｅｎｇｓｈｉｄａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ－Ｅｌｅｃｔｒｉｃ，Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｒａｄａｒ Ａｃａｄｅｍｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００１９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ａ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｐａｉｄ ｃｌｏｓｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｆｏｒ ｉｔｓ ｇｏｏｄ ａｄａｐｔｉｖｉｔｙ ｔｏ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｌｏａｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｔｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｎｏｔ ａｓ ｍａｔｕｒｅ ａｓ ＩＸ；ｃｏｎ— ｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｔｈｉｓ ｉｓ ａｎ ｕｒｇｅｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｔｉｍｅ—ｉｎｖａｒｉａｎｔ ａｃ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｄｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎｎｏｔ ｂｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ３Ｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ａｃ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｔｉｍｅ—ｉｎｖａｒｉａｎｔ ａｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｏｏｐ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｕｓｏｉｄａＩ ｉｎｖｅｒｔｅｒ￣ＡＣ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ；ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｏｎｔｒｏｌ；ａｓｔａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏＩ 直流控制系统是稳态工作点在系统频率特性零频 率点上的控制系统，例如恒值控制系统就是典型的直 方式优点是控制器设计有一套成熟的控制理论指导， 调节器设计容易，但缺点是控制回路无法对波形质量 进行校正，输出正弦波的波形质量完全取决于输出 Ｌ—Ｃ滤波器的参数。在对波形质量要求较高时，输出 流控制系统。它以古典控制理论为基础，其稳态特性 的设计由终值定理确定，动态特性的设计则由开环传 递函数的中频段位置、形状确定，已经形成一套比较完 备的理论并广泛应用于实际控制系统的设计。而交流 控制系统是稳态工作点在系统频率特性的某个频点 ＝ｃＵ。上的控制系统，由于系统稳态工作频率点的变化， 直流控制系统的稳态特性设计理论不再适用。随着工 业系统技术进步的需要，交流控制系统越来越多地出 现，因此必须对交流控制系统的设计问题进行研究，以 获得理论上的支撑。例如正弦波逆变器反馈控制系统 的设计，因为缺乏交流控制器设计理论指导，当前应用 较多，技术比较成熟的是使用平均值反馈，即将逆变器 正弦波输出通过取样，整流为直流信号与给定的幅值 信号比较，形成控制误差，再将这一误差调制到正弦信 Ｌ—Ｃ滤波器数值大，特别是在非线性负载条件下，由 非线性负载带来的各次谐波成分完全反映在输出电压 波形上，将使正弦波严重失真，在用户系统对正弦波供 电质量要求较高的情况下不能满足工作要求。为了解 决这一问题，有学者提出了滞环跟踪瞬时值控制¨！ ］、 锁相跟踪瞬时值控制＿３ ］、采用重复控制器的瞬时电 压反馈控制等属于交流控制范畴的正弦波逆变器反馈 控制方法，其中滞环跟踪瞬时值控制属于非线性交流 控制方式，采用重复控制器的反馈控制则是构造了一 个重复控制器作为交流调节器使用＿５ ］。这些控制 方式在实际控制系统设计上都有应用，但也还有一些 问题需要解决，例如滞环跟踪瞬时值控制的一个缺点 号上，形成交流控制信号，控制逆变器工作。实际上是 用直流控制的方法完成对交流输出的控制。这种控制 收稿日期：２０１０—０６－０３ 作者简介：刘 畅，男，长江三峡能事达电气股份有限公司工 作，主要研究方向电力电子技术。 是正弦波相位控制精度不高；锁相跟踪瞬时值控制的 缺点是系统动态响应速度较慢、相位跟踪精度较低；重 复控制瞬时值电压反馈控制的缺点是重复控制器的稳 定性设计较困难，而且重复控制器的设计必须以牺牲 跟踪精度换取系统的宽负载稳定范围。 通往电．冻技术 ２０１０年１１月２５日第２７卷第６期 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏｖ．２５，２０１０，Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．６ 下文首先讨论了交流控制系统调节器的设计方 法，给出了设计结论，然后以一个正弦波逆变器交流控 制系统设计作为实例进行了验证，证明了这一方法的 可行性。 １ 交流调节器控制原理 交流控制系统的输入为交流信号，交流控制系统 实际上是将系统的工作频点从零频率点搬到某一频率 点 ＝ 。的控制系统。因此对交流控制系统的调节器 的要求是：调节器仅对交流误差信号的调制信号进行 调节，而不能影响其载频信号相位。也就是如果调节 器不影响载频信号的初相位，这一调节器将达到仅调 节交流载波信号的幅值而不改变其初相位的控制效 果，那么这一调节器则可做交流调节器使用。以这一 调节器为核心构成的闭环控制系统将是交流控制系 统。图１是交流反馈控制系统的典型结构。 图１ 交流反馈控制系统的典型结构 设交流误差信号为： （￡）一Ｅｍ（ ）ｓｉ蚴０（ ） （１） 其中Ｅ （ ）为调制误差信号，是一个频率成份丰 富的低频段信号。为了分析问题的方便，不失一般性 地，假设Ｅ （ｔ）为单一频率的谐波信号，Ｅｎ１（ ）＝ｅＪＯ￣ｉ ， 则： Ｐ（￡）一 ｉ ｓｉｒ￣ｏｎｔ （２） 即： Ｐ（￡）一 （ｔ）ｓｉｔｔｏｏｔ一 － ｓｉｍ旬￡一 ｔ一 ‘ 一 ］ ｊ 交流调节器ＤＡＣ（ｓ）稳态输出［９］： （￡）一 ｛ＤＡＣＤ（（Ｕ ＋ 。）］ ‘￣ｉ＋ｗ０ 厶 —Ｄ Ｄ（∞ｉ一 ｏ）］ ‘ ｝ ＝ －｛Ｄ Ｄ（ ，＋０３Ｏ）］一Ｄ ＥＪ（ ｉ一 ０）］｝ｃｏｓ ｏ￡ 乙Ｊ ＋ ｛ＤＡｃＥＪ（ ４－ ｏ）］＋ＤＡｃＥｊ（∞ 一 ｏ）］｝ｓｉｎｗ。 厶 若Ｄ Ｄ（∞ ＋（００）］一ＤＡｃ （ 。一㈨）］＝０，则： （ ）＝＝＝ ，｛ＤＡＣ［ｊ（ ｉ＋∞。）］ 厶 ＋Ｄ ［ （ 。一 ｏ）］）ｓｉｎ（０ｏｔ （３） 比较式（２）、（３）可见，交流调节器Ｄ （ｓ）仅对误 差控制信号的调制信号 进行了调节，而载波信号 ｓｉ ｔ的初相位没有改变。因此，只要ＤＡｃ（ｓ）满足： ＤＡＣ￣ｊ（ ，＋叫ｏ）］一Ｄ （ 一０３０）］ （４） ・，ｎ・ ＤＡ（、（ ）即可作为交流调节器使用。 式（３）的｛Ｄ ［ （叫。＋ ）］＋Ｄ ＥＪ（ 。一㈨）］｝／２ 即是调节调制信号 － 的调节器。因为调制信号 为低频段信号，所以它是对应于调制信号的一个直流 调节器，令： ＤＤ（：（如ｉ）一｛Ｄ （∞。＋叫。）］４－ＤＡｃＤ（ ．一叫。）］｝／２ （５） 由式（５），如果获得了针对调制信号 ， 的直流控 制系统调节器Ｄ （ ），则可以得到相应的交流调节 器ＤＡｃ（ ）。而直流控制系统设计方法成熟，因此， 交流控制系统调节器的设计转化为，首先设计直流控 制器Ｄ （． ），再通过式（５）获得相应的交流控制器 Ｄ （ ），用于交流控制系统的设计。然而，在复频域 中由式（５）解ＤＡＣ（． ）比较困难，为了方便获得ＤＡＣ （ ）给出下列结论。 结论：对于线性交流反馈控制系统，在系统的调制 信号频带内的有效最高频∞ 远小于载频信号频率似 时， 若存在满足相应直流控制系统要求的调节器ＤＩｒ（ｓ），则 存在满足相应交流控制系统要求的交流调节器Ｄ ｃ（ｓ） ≈Ｄ （ ），使系统对交流输入信号，仅具有对其 幅值调节的作用，而对载频相位无影响。 证明：假设已得到直流调节器Ｄ毗（ｓ），若相对应 的交流调节器为ＤＡｃｓ≈Ｄ瞰（ ） 分别令：Ｓ—Ｊ（∞ ４－（０。）或Ｓ—Ｊ（ ｉ－－（０。），分别代 入上式，则： Ｄ Ｅｊ（ ｉ＋ 。）］一Ｄｔ ［二 专导］ ＝＝＝Ｄ ［ ］ ‘‘ ．远／Ｊ、于 （） ‘．．ＤＡＣＥＪ（∞。＋ ０）］≈ＤＤｃＥ／０（ｉ］ ＤＡＣＥｊ（（０ｉ一（００）］一Ｄ ［二 ］ 一Ｄ ［ ］≈ＤＤｃ（ ．） ６Ｊ ｌ ６００／ ‘．．Ｄ ［ （ 。４－ 。）］一ＤⅨ、ｊ＿（∞ 一 。）］ 故： Ｄ （ｓ）≈Ｄ （ ） （６） 满足式（４）的要求，可以作为相应的交流控制系统 的调节器使用。 证毕。 将式（６）代入式（５）也成立，也证明了定理的正确 性。 ２正弦波逆变器的直接交流反馈控制 本文以恒频恒压输出的单相全桥正弦波逆变器为 Ｃ 镌电潦 】－： ２０１０年１１月２５日第２７卷第６期 刘畅等：基于交流调节器的正弦波 逆变毋波形 研究—— Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏｖ．２５，２０１０，Ｖｏｌ＿２７ Ｎｏ．】 例，介绍交流调节器在正弦波逆变器波形控制中的应 用。 考虑到输出ＳＰＷＭ含有基波和周期性奇次谐波 分量，各次谐波可作为扰动输出处理，扰动输出量用ｄ （￡）表示。得到逆变器被控对象的数学模型如图３所 示。 ２．１单相正弦波逆变器的被控对象开环传递函数模 型 逆变器结构如图２所示，开关控制信号为正弦脉 宽调制（ＳＰＷＭ）信号。输出滤波器为Ｌ—Ｃ低通滤波 环节。其中滤波电感为Ｌ，滤波电容为Ｃ，Ｒ 为滤波电 感的等效串联电阻，Ｅ为直流母线电压， ｉ为滤波电路 的输入电压， 。为滤波电路的输出电压。 图２单相逆变器主电路结构图 先分析开关逆变桥的模型。通过参考正弦波和三 角波比较得到的ＳＰＷＭ脉冲去控制各功率开关器件， 由于开关状态是不连续的，分析时采用状态空间平均 法。状态空间平均法是基于输出频率远低于开关频率 的情况下，在一个开关周期内，用变量的平均值代替其 瞬时值，从而得到连续状态空间平均模型的方法。利 用状态空间平均法，可得从调制器输入至逆变桥输出 的传递函数为 ＫＰｗＭ一 Ｕｉ（ ｓ） （７） 式中， 为参考正弦信号；Ｕ 为三角载波峰值。 逆变器参数及工作条件为：Ｅ＝３００ Ｖ，滤波电感 Ｌ＝１ ｍＨ，滤波电容Ｃ＝１０ Ｆ；输入控制信号 ＝ ５ｓｉｎｏｏｏｔ，工作频率㈨＝２ｎ×４００ Ｈｚ，输出交流电压幅 度１５０ Ｖ。因此在ＳＰｗＭ中，由于载波频率远高于输 出正弦波频率，逆变桥部分可以看成是一个比例环节， 比例系数为ＫｐｗＭ。设三角载波峰值为Ｕ ＝６ Ｖ，则： ， ＾ 一ＵＵ，（ｓ） Ｅ ３００ （Ｓ）一 一— 一 ｕ ｎｒ对于输出Ｌ—Ｃ滤波环节，设负载电阻为Ｒ，则 对Ｕｉ的传递函数为 Ｇ 一 一— Ｕ。 ，、 ／／／Ｒ＋Ｌｓ Ｒ ｌ Ｉ ＩＩ ＬＣｓ ＋（ Ｌ＋尺ｃ）ｓ＋—Ｒ Ｌ＋１ （８） Ｉ 综上，调制器输入至逆变器输出的传递函数 ）一 Ｕｏ（ｓ）一 １ Ｋ一 ＋（专 ｃ 簧＋１“ 一（９） 忽略电感内阻Ｒ ，将其它已知参数代人式（９）： １一 ＬＣｓ。＋（ ＋ＲＬ雨ｃ）ｓ＋ ＋１ 一 ５Ｏ （１０） 式中，变参数为负载Ｒ。 ２．２交流调节器的设计 以式（１０）为被控对象，利用单回路交流反馈控制 系统，设计交流调节器ＨＡＣ（Ｓ）。按照以上交流调节器 设计思想，首先进行直流调节器的设计。由于所设计 的交流控制系统为恒幅值交流控制系统，即输入交流 信号的调制信号为恒值，因此所对应的直流控制系统 为恒值控制系统，即将交流输入信号改为直流信号。 以 （ ）为被控对象，设计直流调节器Ｈ （ ），则ｋｆ＝ ＊３ｏ，考虑空载情况为系统的最恶劣工况，令负载 尺一∞，依直流控制系统的设计理论，可以获得直流调 节器ＨＤＣ（ｓ）。因设计方法成熟，篇幅所限，本文不再 论述设计过程，直接给出设计结果： Ｈｍ １＋ １１） 利用以上给出的定理，对应的交流调节器为： ＨＡｃ（ｓ）一１＋ （１２） ３仿真结果及分析 将式（１１）、（１２）的设计结果进行仿真研究。图４ 为Ｒ＝１ Ｑ时参考输入和输出电压波形图；图５为Ｒ＝ １ Ｑ时参考输入和稳态误差电压波形图；图６为Ｒ一 ∞时的参考输入和输出电压波形图；图７为Ｒ一。。时 的参考输入和稳态误差电压波形图。 由仿真波形图可知，将交流调节器应用于正弦波 逆变器直接交流反馈控制系统的设计，在宽负载范围 内实现了输出交流电压对输入交流电压的近似误差跟 踪，稳态误差接近于零，输出电压和输入电压相位保持 一致。仿真结果证明了交流控制系统直接交流反馈控 制的可行性。这也符合反馈控制系统“内模原理”的设 计思想。内模原理指出：若要实现反馈控制系统输出 通缱电潦 ２０１０年Ｉ１月２５日第２７卷第６期 】Ｉ： Ｎｏｖ．２５，２０１０，Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．６ Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 信号对输入信号的无静差跟踪，则控制系统的开环传 递函数中必须含有对应输入信号的内模。单位正弦输 １ ０ 值反馈环中输出和给定交流信号，交流ＰＩ调节器能够 消除稳态误差，做到无差调节。但是，交流ＰＩ控制方 稳定性非常不利，因此，有待进一步研究。 参考文献： 人信号的复频域模型为了÷ ，式（１２）正好含有 式对负载和电网的波动非常敏感，这对于整个系统的 １ 壶项，所以以式（１２）为调节器的交流控制系统，有 ・（Ｕ 条件实现系统的无差跟踪，只是这一系统在满足稳态 无差设计要求的同时，必须满足稳定性设计要求。关 于系统的设计问题，本文限于篇幅不再讨论。 ｓ 图４ Ｒ：１ Ｑ参考输入和输出电压波形图 ］ Ⅲ ］ ］ ］ ］ 嘲 嘲 ｔ／ｓ 图５ Ｒ＝１ Ｑ参考输入和稳态误差电压波形图 图６ Ｒ—ｏｏ时的参考输入和输出电压波形图 图７ Ｒ—ｏｏ时的参考输入和稳态误差电压波形图 ４ 结束语 本文首先从理论上对交流调节器进行了分析推 导，然后在Ｓ域下进行了仿真。通过仿真得出：对瞬时 ・２２－ 应建平，沈红，张德华，等。双滞环控制的三相双幅有 源箝位谐振直流环逆变器ＥＪ］．中国电机工程学报，２００４， ２４（２）：８５—８７． 陈东华，谢少军，周 波．瞬时值电流控制逆变技术比较 ［Ｊ］．南京航空航天大学学报，２００４，（Ｏ３）：３１—３３． 段善旭，裴雪军，熊 健，等．基于ＤＳＰ的一种新型全数 字化ＵＰＳ研究［Ｊ］．高电压技术，２００３，（０３）：２１—２４． 惠晶．新型ＺＣＳ—ＰＩ Ｉ 控制的大功率逆变电源的研究 口］．电力电子技术，２００４，（Ｏ６）：４２—４３． 段善旭，孙朝晖，张凯等，基于重复控制的ＳＰＷＭ逆变 电源死区效应补偿技术［Ｊ］．电工技术学报，２００４，（０２）： ６３—６５． 孑Ｌ雪娟，王荆江，彭力，等．基于内模原理的三相电压源 ］ 嘲 型逆变电源的波形控制技术［Ｊ］．中国电机工程学报，］ 忉 ］ ］ 嘲 ２００３，２３（７）：３２—３５． Ｋｅｌｉａｎｇ Ｚｈｏｕ，Ｄａｎｗｅｉ Ｗａｎｇ．Ｕｎｉｆｉｅｄ Ｒｏｂｕｓｔ Ｚｅｒｏ—Ｅｒｒｏｒ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＣＶＣＦ ＰＷＭ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ｆ Ｊ ｆ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ Ｏｉｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ，２００２，４９（４）：４９２—５０１． 马永健，徐政，沈 沉．有源电力滤波器闭环控制算法 研究［Ｊ］．电工技术学报，２００６，２１（２）：７３—７８． 胡祷德，曾乐生，马东升．伺服系统原理与设计［Ｍ］．北 京：北京理工大学出版社，Ｉ９９３． 箨 侮 ≯ 调度通信所完成６６千伏 变电站的通信设备电源更换 调度通信所对６６千伏变电站的通信设备电源进行了更 换。在变电站内，为了预防变电站出现紧急情况下能够及时与 集控中心或调度的通话保持畅通，通信屏设备的电源采取与变 电站直流电源分开的供电原则，即发生变电站直流系统失效 时，通信设备依然可以正常使用。 中心变已经投运多年，所内的通信电源存在老化现象，个 别电池甚至电压过低。一旦出现故障，通信设备无法正常工 作，带有许多市中心负荷的该站将成为长春电网的一座孤岛。 为了解决这种潜在的隐患，调度通信所及时更换了新式电源。 在经过２个多小时的安装与调试工作，新式通信屏与电池投运 完毕，为了长春电网的调度指挥通畅提供一份可靠保障。 （摘自：电源在线网）