PWM逆变器的建模与双环控制策略

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大功率逆变器输出波形的双环控制

大功率逆变器输出波形的双环控制夏星煜;邹广平;荣军【摘要】根据大功率高性能逆变器技术要求,提出了一种电压外环,电流内环的双环控制方式,并通过matlab建模仿真验证了其控制方式对逆变器输出波形的改善作用.【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2015(035)002【总页数】3页(P71-73)【关键词】逆变器;双环控制;PI调节【作者】夏星煜;邹广平;荣军【作者单位】武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064;武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064;武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064【正文语种】中文【中图分类】TM4641 逆变器控制技术概述近些年，逆变器输出波形的控制逐渐成为了研究人员对变换电源研究的热点问题，其控制技术主要解决的问题就是输出带不同的负载条件（纯阻性负载、阻感性负载、阻容性负载等）下能否输出稳定、符合要求的正弦波和在外部干扰突然变化的情况下能否快速、稳定的实现调节。

所以，对实际的变换电源来说，主要看其是否能符合以下两点性能要求：1）稳态时输出电压波形畸变率，基波分量所占比重大并且无相位差，THD 值小等；2）动态特性好，在外部扰动突然变化的情况下能快速实现调节，波形震动小。

目前对逆变器波形控制的技术主要有以下两种方式：1）基于周期波形反馈控制技术，就是采集一个周期内的电压电流波形，然后与标准输出波形作比较，对其进行校正和补偿。

2）基于瞬时值反馈的波形控制技术，就是对逆变器输出波形实时进行检测，把检测回的输出值与参考值作比较来进行调节。

主要包括瞬时值内环反馈控制技术，PID（单内环）控制技术，双闭环控制技术，无差拍控制技术，线性多变量状态反馈控制技术等。

目前，应用最广泛的是 PWM控制技术。

利用数字信号处理器（DSP）方便了建模仿真，用数字化控制系统取代了之前的模拟控制系统，简化了控制系统，为其分析调节提供了可靠性。

2 逆变器双环控制的技术策略2.1 SPWM单相半桥逆变器数学模型三相三线制逆变器，由于其电路结构的对称性，可以把其等效为三个单相逆变器，所以本文在下面的研究对象均是单相半桥逆变器。

逆变器控制策略概述

4．状态反馈控制
从控制理论的角度来说，闭环系统性能与闭环极点密切相关。在状态空间的分析中，除了利用输出反馈以外，主要利用状态反馈来配置极点，它能提供更多的校正信息，从而得到最优的控制规律，抑制或消除扰动的影响。状态反馈控制的最大优点是可以大大改善系统的动态品质，因为它可以任意配置闭环系统的极点，但是建立逆变器状态模型时很难将负载特性完全考虑在内。
另一种方法是通过提高开关频率来减小滤波电感，从而降低逆变器输出阻抗。这种方法对于小功率产品十分合适，但是对于中、大功率，由于受到器件限制，开关频率不可能很高，滤波电感减小的余地不大。
第三种方法就是通过采用合理的控制方法，减小输出阻抗。通过研究发现，引入输出电压瞬时值反馈控制可以明显地增强电源系统抵御非线性负载扰动的能力，减小电压输出波形畸变。这是因为采用电压瞬时值反馈控制技术后，逆变器的闭环输出阻抗大大
5．滑模变结构控制
滑模变结构控制是一种非线性控制方法，它是利用某种不连续的开关控制策略来强迫系统的状态变量沿着相平面中某一预先设计好的“滑动模态”轨迹运动，以达到预期的性能。滑模变结构控制系统的最大优点是对参数变化和外部扰动不敏感，具有强鲁棒性，而且其固有的开关特性吸引了众多学者将它应用于逆变器的控制之中。但是滑模变结构控制在应用上存在一些问题。首先是逆变器系统的理想滑模切换面很难选取；其次，
的速度受到现有硬件技术条件的限制，还有待进一步提高。
7．重复控制
重复控制是一种基于内模原理的逆变器控制方案。它利用扰动的“重复性”这一规律，“记忆”扰动发生的位置，根据相应的控制规律，有针对性的修正输出波形。在理论上，可以在稳态条件下实现对给定信号的完美跟踪。但是对于逆变系统而言，除了稳态性能以外，动态性能也是一项重要指标。由于重复控制器结构上存在周期延时环节，动态性能不如其它方法的控制器，为了得到满意的动、静态性能，往往将重复控制与其

三相PWM逆变器新型双闭环控制策略研究

三相PWM逆变器新型双闭环控制策略研究作者：索亚楠张武罗心宇喻景康来源：《科技视界》2015年第07期【摘要】随着逆变器在众多领域越来越重要，而传统的电压电流双闭环控制波形质量和响应速度不高，因此本文对传统方法进行改进，提出了一种新型控制方法，即不需要电感L准确值的电流解耦控制和采用模糊算法设计电压环来实现对输出电压控的稳定控制。

并用MATLAB SIMLIMNK进行仿真建模，实验结果表明此控制策略电压输出波形比较稳定。

【关键词】PWM逆变;无电感;电压模糊控制Resarch on New Double Closed-Loop Controlling Strategy Based on Three-Phase PWM Inverter SUO Ya-nan ZHANG Wu LUO Xin-yu YU Jing-kang【Abstract】With inverter is more and more important in many areas， the traditional voltage current double closed loop control waveform quality and speed of response is not high， so to improve the traditional method， this paper proposes a new control method， which does not need the inductance L accurate value of current decoupling control and fuzzy algorithm design voltage loop to achieve the stability control of the output voltage control. With MATLAB SIMLIMNK simulation modeling， experiment results show that the control strategy of voltage output waveform is stable.【Key words】PWM inverter; Without inductance; Fuzzy of voltage controll0 引言鉴于逆变器在光伏发电等新能源领域的重要性，逆变器输出稳定的电压电流波形称为人们研究的重点。

基于双环控制和重复控制的逆变器研究

基于双环控制和重复控制的逆变器研究摘要：研究了一种基于双环控制和重复控制的逆变器控制技术，该方案在电流环和瞬时电压环之外附加了一个重复控制环。

在实现输出电压解耦和扰动电流补偿后，根据无差拍原理设计的双环控制器使逆变器达到了很快的动态响应速度；位于外层的重复控制器则提高了稳态精度。

该方案在一台基于DSPTMS320F240控制系统的PWM逆变器上得到验证。

关键词：逆变器；双环；无差拍；重复控制引言随着闭环调节PWM逆变器在中小功率场合中的大量使用，对其输出电压波形的要求也越来越高。

高质量的输出波形不仅要求稳态精度高而且要求动态响应快。

传统的单闭环系统无法充分利用系统的状态信息，因此，将输出反馈改为状态反馈，在状态空间上通过合理选择反馈增益矩阵来改变逆变器一对太接近s域虚轴的极点，增加其阻尼，能达到较好的动态效果。

单闭环在抵抗负载扰动方面与直流电机类似，只有当负载扰动的影响最终在输出端表现出来以后，才能出现相应的误差信号激励调节器，增设一个电流环限制启动电流和构成电流随动系统也可以大大加快抵御扰动的动态过程。

瞬时值反馈采取提高系统动态响应的方法消除跟踪误差，但静态特性不佳，而基于周期的控制是通过对误差的周期性补偿，实现稳态无静差的效果，它主要分为重复控制和谐波反馈控制。

本文提出了一种基于双环控制和重复控制的逆变器控制方案，兼顾逆变器动静态效应，另外使用状态观测器提高数字控制系统性能。

1 逆变器数学模型单相半桥逆变器如图1所示，L是输出滤波电感，C是输出滤波电容，负载任意，r是输出电感等效电阻和死区等各种阻尼因素的综和。

U是逆变桥输出的PWM电压。

选择电感电流iL和电容电压vc作为状态变量，id看作扰动输入，得到半桥逆变器的连续状态平均空间模型为根据式(1)，很容易得到逆变器在频域下的方框图，如图2所示。

PWM逆变器的动态模型和直流电机相似，转速伺服系统的设计方法在这里也适用。

本文借鉴直流电机双环控制技术，并改造成为多环控制系统，在逆变器波形控制上取得了很好的效果。

双闭环PWM逆变器的MATLAB仿真

２．１模型的建立
３主要结论及支护建议
采用ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ高级数值仿真软件建立数值模型，对３．１巷道围岩进行合理及时的锚杆支护后，围岩应力状态将由单向锚杆对巷道的支护作用进行数值模拟。模型尺寸取为３０ｍ＊２５ｍ，：￣道尺或者二向转变为三向应力状态。锚杆群作用于围岩形成内部支护结构寸为４ｘ３ｒｎ ’ 顶板和两帮锚杆长度为２．０ｍ。边界条件为模型的左右边界并且在锚杆长度的一定范围内形成一定承载能力。施加辊支承，模型底部施加固定约束，模型的上表面施加均布载荷，按３．２若顺槽开挖后能够得到及时有效合理的的锚杆支护，围岩与锚埋深４００ｍ计算，边界载荷为１８．９ＭＰａ。杆群共同作用，随着围岩变形量增加，巷道围岩内部的围压将变得很表１模型层位表高，因此围岩强度降低的幅度会变小，甚至强度还会有所增加。３．３可以通过改变锚杆锚索的技术参数，来使围岩强度得到有效的岩性细砂岩煤煤页岩细砂岩员岩细砂岩提高。使用具有大延伸量、高预紧力的锚杆锚索，能够有效的提高巷道（由底至顶）围岩的稳定性；对巷道最薄弱部位底角及两帮进行加强支护，提高其残厚度（ｍ）４４３４９３余强度，增强巷道围岩的整体稳定陛。３．４锚杆支护的重点所在是能否与围岩形成内音潴构。该结构的强设定模型巷道两帮布置三根锚杆，分别对顶部布置３根锚杆（间排度和范围直接影响着支撑能力。在巷道围岩受到恒定的单向强度应力距１．５ｍ）和两根锚索（间排距ｌｍ）；帮锚杆布置３根锚杆（间排距０．８ｍ）。时，单根锚杆的工作阻力参数直接影响着围岩强度，内部结构的强度与设定锚杆长度为２ｍ，直径为０．０２ｍ，锚索长度为３．５ｍ，直径为０．０１ｍ。锚杆轴向上所受的挤压力成正比；锚杆群的技术参数决定了此结构的２．２模拟结果分析厚度，即锚杆越长减排距越小，内部支护结构越厚。得出巷道在锚杆支护作用下的应力分布云图如图２。如图２，空白３．５可以通过提高锚杆长度的中部位置的工作阻力来增强支护强部分为刚刚开掘的巷道，黑色线段为锚杆锚索。颜色越偏红色，说明应度。建曾加锚汗＝有效长度，提高锚杆锚杆抗拉强度，采用全长锚固。参考文献力值越高。从图中可以看出，应力的集中点，为巷帮锚杆的１／３左右处。巷道围岩采取合理的、及时的锚杆支护时，巷道围岩应力会发生重新分ｆ１１张益东，李晋平．综放锚杆支护巷道顶煤内部支护结构承载能力探讨布，进而产生一定量的变形，在与锚杆群所形成的内部结构共同作用叨．煤炭学抿１９９９，２４．２喉朝炯．煤巷锚杆支护口．徐州：中国矿业大学出版社，１９９９．下，巷道围岩内部的围压将变得很高，因此围岩强度降低的幅度会变ｆ

SPWM波控制逆变器双闭环PID调节器的建模与仿真

SPWM波控制逆变器双闭环PID调节器的建模与仿真随着电力行业的快速发展，逆变器的应用越来越广泛，逆变器的好坏会直接影响整个系统的逆变性能和带载能力。

逆变器的控制目标是提高逆变器输出电压的稳态和动态性能，稳态性能主要是指输出电压的稳态精度和提高带不平衡负载的能力；动态性能主要是指输出电压的THD(Total Hannonic Distortion) 和负载突变时的动态响应水平。

在这些指标中对输出电压的THD 要求比较高，对于三相逆变器，一般要求阻性负载满载时THD 小于2%,非线性满载(整流性负载)的THD 小于5%.这些指标与逆变器的控制策略息息相关。

文中主要介绍如何建立电压双环SPWM 逆变器的数学模型，并采用电压有效值外环和电压瞬时值内环进行控制。

针对UPS 单模块10 kVA 单相电压型SPWM 逆变器进行建模仿真。

通过仿真，验证了控制思路的正确性以及存该控制策略下的逆变器所具有的鲁棒性强，动态响应快，THD 低等优点。

并以仿真为先导，将其思想移植到具体开发中，达到预期效果。

1 三电平逆变器单相控制模型的建立带LC 滤波器的单相逆变器的主电路结构如图1 所示。

图1 中L 为输出滤波电感，C 为滤波电容，T1,T2,T3,T4 分别是用来驱动IGBT 的三电平的SPWM 波，U0 为输出负载两端的电压。

在建立控制系统的仿真模型时，需要采集负载两端的电压与实际要求的电乐值做比较，然后通过调节器可以得到所需要调节的值。

在此仿真模型中，驱动波形采用的是三电平的SPWM 波形，具体的产生原理在这不做详细描述。

在Matlah 的Simlink 库中SPWM 波的产生如图2 所示，这里调制比设为0.8。

图1 三电平逆变器单相主电路图2 四相SPWM 产生电路。

基于双环控制的PWM 逆变器的研究

图 2 带负载前馈的电感电流内环电压外环控制系统方框图
( ) ) 根据图 ( ) 可推导出电感电流内环的开环和闭环 ! 传递函数 :
3 控制系统极点配置与性能分析
假设电压、电流调节器分别为 :
k $ i )= k G s v( $ p+ s k ! i )= k G s i( ! p+ s 经计算得知整个系统的闭环特征方程为 :
$ ( ) & u $ L C S! +r C S +$ 由于这里的等效电阻 r 很小 , 则逆变器可以近似
压外环电流内环的双环控制方案是高性能逆变电源的
!] 发展方向之一 [ , 双环控制方案的电流内环扩大逆变
u " =
器控制系统的带宽 , 使得逆变器动态响应加快 , 非线性负载适应能力加强 , 输出电压的谐波含量减小。
系统的控制器参数按常规方法设计 , 需考虑两个调节器之间的响应速度、频带宽度的相互影响与协调 , 控制器设计步骤复杂 , 还需要反复试凑验证 ; 采用极点配置方法大大简化了设计过程 , 同时能满足高性能指标要求 , 这种设计方法具有明显的优越性。对于这样的高阶系统 , 为了得到所需要的动态性能和稳定性能 , 我们的处理方法是 : 将其中两个极点配置为一对共轭极点, 另外两个极点配置在距虚轴很远的地方。假设四阶双环控制系统的希望闭环主导极点为
+] 电流i 所以抗输出扰动性能比较差[ 。为 "的突变 ,
$+k r C +C k k! i! ! $ p & p +C + )=s D( s s + s + L C L C

PWM型光伏并网逆变器的双闭环控制系统设计及仿真研究

PWM型光伏并网逆变器的双闭环控制系统设计及仿真研究刘建;冉玘泉【摘要】设计了单相光伏并网系统中PWM型并网逆变器的双闭环控制系统,内环采用固定开关频率直接电流控制,并用典型Ⅰ型系统进行设计.同时,为了使电压型逆变器稳定运行,必须对直流电压进行闭环控制来稳定直流电压.用Matlab/Simulink 中的Power Systems Block建立PWM逆变器双闭环控制系统仿真模型,仿真结果表明,电流有较好的跟随性,直流侧电压有较好的稳定性,该控制系统其能够实现单位功率因素并网,减少谐波分量,提高电能质量.【期刊名称】《电气开关》【年(卷),期】2015(053)005【总页数】5页(P63-66,69)【关键词】光伏并网系统;PWM型逆变器;双闭环控制【作者】刘建;冉玘泉【作者单位】西南交通大学电气工程学院,四川成都610031;西南交通大学电气工程学院,四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】TM921随着工业进程的加快，能源消耗越来越大，常规能源供给的有限性和环保压力的增大，促使人类去开发和利用新能源，太阳能具有很多常规能源所不具有的优点，被认为是21世纪最重要的新能源，因而光伏发电被认是综合缓解能源问题和环境问题的一种重要技术途径[1-2]。

逆变器作为光伏发电系统的核心，为了实现高效利用太阳能，对光伏并网发电系统中逆变器的控制方法进行研究具有实用价值。

逆变器并网发电的主要控制问题是使逆变器输出与电网电压同频、同相的正弦波电流，并能跟随并网容量给定值，而且要求电流畸变满足相关要求，控制谐波对电网的不利影响。

目前研究比较成熟的控制方法有滞环控制技术、三角波控制技术，无差拍控制技术等。

滞环控制方法硬件电路十分简单，属于实时控制方式，电流响应很快，不需要载波，输出电压中不含有特定频率的谐波分量[3]。

三角波控制方式输出含有与载波频率相同的高次谐波，且电流响应比瞬时值比较方式慢[4-5]。

无差拍控制[6]可以在有限拍的时间内跟踪到给定的状态变量，具有非常快速的动态响应能力。

基于SPWM控制的电压_电流双环逆变器建模及其仿真

第4卷中国舰船研究第4卷第5期2009年10月中国舰船研究Chinese Journal of Ship Research Vol .4No.5Oct.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李乐2王晓鹏21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摘要：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（2009）05－54－05Modeling and Si mulation of Voltage and Current Double Loop Control Based on SPWM InvertersZhu Cheng-bang 1Li Le 2Wang Xiao -p eng 21The Naval Representative Office ，Dalian Shipbuilding Heavy Industry Co.，Dalian 116005，China2China Ship Development and Design Cent er ，Wuhan 430064，ChinaAbstract ：Comparing with other inverters control strategy ，voltage and current double loop control based on SPWM inverters are superior in capabilities though the controller parameters design is significant and difficult．In this paper ，the system control model has been constructed in term s of inverters of SPWM voltage and current double loop control strategy ，and the current inner loop and voltage outer loop controller parameters design has been proposed with theoretical validation of classic control theory criterion．T he SPWM voltage and current double loop control system model simulation provided with designed controller parameters show s that the system design is reasonable and the effect is satisfying．Key words ：SPWM ；inverter ；voltage and current double loop ；simulation第5期证明了系统参数设计的合理性。

基于LC滤波器的单相SPWM逆变器双环控制设计

2电工电气 (20 7 No.4)作者简介：王博超(1992- )，女，硕士研究生，研究方向为电力电子控制技术与仿真。

基于LC滤波器的单相SPWM逆变器双环控制设计王博超(东南大学电气工程学院，江苏南京 210096)摘要：对基于LC 滤波器的单相SPWM 逆变器的双环控制进行了分析，得到了LC 滤波器在逆变器使用单极性倍频的调制方式下的参数设定，以此为基础对单相逆变器的双环控制方式进行了建模及电压环、电流环的参数确定。

利用MATLAB/Simulink 软件对该逆变器模型进行了线性负载的突加突减仿真与带非线性负载时开、闭环的谐波畸变率的对比仿真。

仿真结果表明，该种控制策略下逆变器具有较好的动态响应性能及较低的谐波畸变率。

关键词：SPWM 逆变器；LC 滤波器；双环控制中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2017)04-0021-05Abstract: This paper analyzed the double loop control of sigle-phase sinusoidal pulse width modulation (SPWM) inverter based on the LC filter and obtained the parameters setting of the LC filter under the conditions that the inverter used the unipolarity frequency-doubled modula -tion mode. On the basis of this, this paper established the sigle-phase inverter model with double loop control mode and determined the pa -rameters of voltage loop and current loop. The Simulink in MA TLAB was used to carry out simulation of sharp increase and reduction for the linear load of the inverter model, comparing with the loop-opened or loop-locked harmonic distortion rate for the nonlinear load. The simulation results show that this kind of control strategy can obtain favorable dynamic response and low total harmonic distortion (THD). Key words: sinusoidal pulse width modulation inverter; LC filter; double loop controlWANG Bo-chao（School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 2 00 , China ）Design of Double Loop Control in Single-Phase Sinusoidal Pulse WidthModulation Inverter Based on LC Filter0 引言近些年来，为了获得具有更高的供电质量以及供电稳定性的供电系统，高性能的SPWM 逆变电源的研究、开发及其应用受到了各方面的关注，而其中的瞬时控制方案则是最重要的部分之一。

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