基於SPWM 逆變器控制系統的建模與仿真

2021-01-08 電子產品世界

摘要：在雙環控制中，為了獲得更好的控制效果，逆變器要實現狀態反饋解耦。文章在狀態反饋解耦的基礎上，首先建立了SPWM 數學模型，接著對提出的兩種控制方案進行了比較，通過分析指令傳函的動態跟蹤性能和擾動傳函的擾動抑制能力，選擇了負載電流解耦的電感電流反饋，它是控制效果較好的一種方案，最後對所選的控制方案進行了系統仿真，結果表明輸出電壓波形質量高，動態響應好，擾動抑制能力強。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/162391.htm

　　0 引 言

　　目前，電壓外環電流內環的雙環控制方案是高性能逆變的發展方向之一。雙環控制方案的電流內環擴大逆變器控制系統的帶寬，使得逆變器動態響應加快，非線性負載適應能力加強，輸出電壓的諧波含量減小。

　　由於考慮到濾波電感等效電阻的壓降作用和電壓外環對電流內環的緩慢擾動作用，為要實現更好的控制效果，必須對控制對象實現狀態反饋解耦，消除輸出電壓產生的交叉反饋作用。本文在狀態反饋解耦的基礎上，建立了SPWM 的仿真模型，並在此基礎上進行了仿真。仿真過程考慮了死區效應和器件的損耗，因此是較為精確的模型。

　　1 單相電壓型逆變器的數學模型

　　為方便控制器的設計，首先建立單相SPWM(sinusoidalpulse wIDTh modulatiON)逆變器合理的數學模型。

　　圖1 中E 為直流母線電壓，ui為逆變器輸出電壓，uc為電容兩端電壓，iL為流過輸出濾波電感L 的電流，io代表負載電流。濾波電感L 與濾波電容C 構成低通濾波器。r 為包括線路電阻、死區效應、開關管導通壓降、線路電阻等逆變器中各種阻尼因素的綜合等效電阻。電壓ui可以取三個值:E，0或-E，因此，電壓ui是幅值為+E 或-E 的電壓脈衝序列。

　　由於逆變器電路中各個功率開關器件都工作在開關狀態，因此是一個線性和非線性相結合的狀態，分析時有一定的難度。可假設直流母線電壓源E 的幅值恆定，功率開關為理想器件，並且逆變器輸出的基波頻率、LC 濾波器的諧振頻率與開關頻率相比足夠的低，其截止頻率通常選擇在開關頻率的1/10 ～1/5 左右，則逆變器可以簡化為一個恆定增益的放大器，從而可以採用狀態空間平均法得到逆變器的線性化模型，單相電壓型SPWM 逆變器的等效電路如圖1 所示。


圖1 單相電壓型SPWM 逆變器等效電路

　　基於基爾霍夫電壓定律和電流定律，可以得到逆變器的小型號模型為:



　　選擇電容電壓Uc和電感電流iL作為狀態變量，逆變器的連續時間狀態方程為:



　　據此可以容易地推出其頻域傳遞函數:



　　從而可以得出逆變器在頻域下的等效框圖如圖2所示。



圖2 單相電壓型SPWM 逆變器的等效框圖


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