逆变电源重复控制技术的研究

并网逆变器系统中的重复控制技术及其应用研究一、概述随着可再生能源的快速发展，特别是太阳能和风能的大规模应用，并网逆变器在电力系统中的作用日益凸显。

并网逆变器不仅需要将分布式电源产生的电能转化为与电网同频同相的交流电，还需保证电能的质量和稳定性。

由于分布式电源通常接入电网的末端，电网中的谐波、电压波动和不平衡等问题会对并网逆变器的运行产生影响。

研究并网逆变器系统中的控制技术，特别是针对电网扰动和电能质量问题的控制技术，具有重要的现实意义和应用价值。

重复控制技术作为一种有效的电力电子控制方法，在并网逆变器系统中得到了广泛的应用。

该技术基于内模原理，通过构建一个与扰动信号频谱相同的内部模型，实现对特定频率谐波的精确跟踪和抑制。

本文将对并网逆变器系统中的重复控制技术进行深入研究，分析其基本原理、实现方法以及在实际应用中的挑战和解决方案。

本文首先介绍并网逆变器系统的基本结构和功能，然后重点阐述重复控制技术在并网逆变器中的应用原理和实现方法。

在此基础上，分析重复控制技术在提高并网逆变器电能质量和稳定性方面的优势，并探讨其在面对电网扰动和复杂运行环境时的挑战和应对策略。

通过实际案例和仿真实验验证重复控制技术在并网逆变器系统中的有效性，为相关领域的研究和实践提供参考和借鉴。

1. 并网逆变器系统的概述并网逆变器系统是电力系统中关键的一环，特别是在分布式发电领域，其扮演着将可再生能源（如太阳能、风能等）转化为电能并注入公共电网的重要角色。

并网逆变器系统的核心功能是将直流电能转换为与电网同步的交流电能，从而实现对电网的高效、安全供电。

并网逆变器系统的工作原理主要包括直流交流（DCAC）转换、电压和频率控制以及并网控制等步骤。

通过电力电子器件（如绝缘栅双极晶体管IGBT）对输入的直流电进行开关控制，实现DCAC转换。

接着，通过先进的控制算法对输出电压的频率、幅度和相位进行调整，以确保与电网电压同频同相。

通过专门的并网控制策略，确保输出的交流电顺利并入电网，同时保持系统稳定运行。

单相逆变器重复控制和双环控制技术研究单相逆变器是一种将直流电能转换为交流电能的设备，广泛应用于太阳能光伏发电系统、无线电通信系统等领域。

在单相逆变器的控制技术中，重复控制和双环控制是两种常用的控制策略。

本文将介绍这两种控制技术的原理和特点，并对其研究进行探讨。

首先，重复控制是一种周期性控制策略，通过周期性地叠加可调谐的谐波信号来消除输出电压中的各谐波分量，提高电压波形的质量。

重复控制的基本原理是通过周期重复地改变脉宽和脉冲间隔来控制输出电压的谐波分量。

在重复控制中，首先将原始交流电压信号通过一组谐波振荡器分解成几个谐波成分，然后分别调节这些谐波成分的幅值和相位，合成与原始信号相似的控制信号，通过PWM (Pulse Width Modulation) 方式控制逆变器的开关器件，获得期望电压输出波形。

相较于传统的PWM控制技术，重复控制具有以下优点：一是重复控制能够较好地抑制谐波污染，改善输出电压的波形质量；二是重复控制不需要额外的滤波器，减少了系统的成本和复杂性；三是重复控制适用于各种逆变器拓扑结构，具有广泛的应用范围。

但是，重复控制技术也存在一些问题，例如在低功率因数或部分负载情况下，可能会导致电流谐波增加、控制动态性能下降等。

另一种常用的单相逆变器控制技术是双环控制。

双环控制是基于内环控制和外环控制的思想，通过内环和外环两个控制环来分别控制逆变器的电流和电压，提高逆变器的性能和稳定性。

具体来说，内环控制主要负责控制逆变器的电流，通过调节电流环的控制参数，实现对电流的精确控制；外环控制则主要负责控制逆变器的电压，通过调节电压环的控制参数，实现对电压的精确控制。

双环控制技术通过内环和外环之间的相互作用，使得整个控制系统具有更好的鲁棒性和稳定性。

与重复控制技术相比，双环控制技术具有以下优点：一是双环控制技术能够实现更高的控制精度和稳定性；二是双环控制技术能够适应不同的工作状态，具有更好的动态响应性能；三是双环控制技术能够通过调整环节的控制参数，实现对逆变器的柔性控制。

三相四线制逆变器1/6周期重复控制策略研究陈磐舄肖岚-黄军2,陈海涛2（1江苏省新能源发电与电能变换重点实验室（南京航空航天大学），江苏南京210016；2.上海空间电源研究所，上海201100）摘要：不间断电源（UPS）工况复杂，负载种类繁多。

不平衡负载和非线性负载均会对输出电压的波形质量产生影响。

此处分析了三相四线制逆变器的数学模型和负载特性，针对不同类型负载对输出电压扰动的影响设计了重复控制器，针对传统的重复控制器存在动态响应过慢的问题，改进了重复控制器的结构，使系统的动态响应提高。

搭建了6kVA的三相四线制逆变器平台，通过仿真和实验验证了该控制策略的可行性。

关键词：逆变器；重复控制器；不间断电源中图分类号:TM464文献标识码：A文章编号:1000-100X（2021）01-0005-04Research on Three-phase Four-wire Inverter Control StrategyBased on1/6Cycle Repeat ControlCHEN Pan1,XIAO Lan1,HUANG Jun2,CHEN Hai-tao2(Jiangsu Key-Lab o ratory of New Energy Generation and Power Conversion,Nanjing University of A eronautics&Astronautics,Nanjing210016,China)Abstract:Uninterruptible power supplies(UPS)have complex operating conditions and a wide variety of loads.Both unbalanced loads and non-linear loads have an effect on the waveform quality of the output voltage.The mathematical model and load characteristics of three-phase four-wire inverter are analyzed.T he repetitive controller is designed for the influence of different types of loads on output voltage disturbance.For the traditional repetitive controller,the dy・namic response is too slow,thus improve the structure of the repetitive controller,so that the dynamic response of the system is improved.A6kVA inverter platform is built,and the feasibility of the control strategy is verified by simula­tion and experiment.Keywords:inverter；repetitive controller；uninterruptible power supply1引言UPS的功能是为负载不间断地提供电能。

三相ΣΠΩΜ逆变电源重复控制技术的研究Ξ√ ≤ × 2 ≥°• √华中理工大学康勇詹长江彭力陈坚 武汉摘要 对提高≥°• 逆变电源输出电压波形质量的重复控制技术作了深入研究∀重复控制技术能减小周期性波动负载 如整流负载 引起的输出电压波形畸变∀在已往基本重复控制和无过冲重复控制的基础上 提出了一种预测重复控制算法 以解决重复控制算法中的参数优化问题∀仿真结果表明 将预测重复控制与瞬时值反馈控制结合起来构成的新型控制系统对≥°• 逆变电源输出电压波形的周期性畸变有很强的抑制作用∀Αβστραχτ: √ ∏ √ ∏ ∏ ∏ ∏ √ 2 ≥°• √ ∏ × ∏ ∏ ∏ √ √ ∏ ∏ ∏ ∏ √ √ 2 √ √ ∏ √ × ∏ ∏ ∏ √ √ 2 ∏ ∏ ∏ ∏ √ 2 ≥°• √叙词 逆变电源电压波形畸变 重复控制Κεψωορδσ:ινϖερτερποωερσυππλψ;ϖολταγεωαϖε;διστορτιον/ρεπετιτιϖεχοντρολ1引言功率半导体逆变电源所供电的各种对象中 整流负载占有很大的比重 它会在电源输出端产生周期性的干扰 使得逆变电源输出波形畸变大大增加∀然而 目前较成熟的控制方案中 虽可对负载扰动有很快的响应 但不可能将整流负载这种周期性扰动负载所引起的误差的稳态值减小到很小程度≈ ∀针对整流和相控引起的输出电压波形畸变具有周期性重复出现的特点 等人提出了一种新型的控制方式)))重复控制 √ ≤ ≈ 之后 等人又提出了一种无过冲重复控制算法来解决重复控制算法中的补偿量计算问题≈ ∀但这一算法中包含有与负载有关的参数 而负载又是时变的 因此这一算法虽比基本的重复控制前进了一步 但并不能实现真正的一步补偿到稳态值∀本文提出了一种预测重复控制的算法 它不需要知道负载参数 且计算简单!便于实现!稳定性好∀经计算机仿真 其结果证实它有较大的实用价值∀鉴于重复控制算法的研究在我国开展的较晚 本文先对其基本原理及算法进行简单的介绍 然后给出一种将预测重复控制与瞬时值反馈控制结合起来的新型≤∂≤ƒ≥°• 逆变电源控制方案 并利用计算机仿真验证其可行性∀2重复控制原理图 示出三相≥°• 逆变电源给整流负载供电的主电路∀图 ≥°• 逆变电源给整流负载供电的主电路图图中 Υ)))标准正弦电压给定信号Γ ≥ )))≥°• 形成环节及功率变换部分的等效传递函数Υ )))输出电压Υ )))负载扰动在整流负载中整流二极管∂⁄ !∂⁄ 开通 相当于逆变电源 相突加负载 ∂⁄ 和∂⁄ 关断5电力电子技术6 年第 期 Ξ国家自然科学青年基金资助项目相当于逆变电源 相突减负载 而负载中∂⁄ !∂⁄ 的开通和关断在电源的每个周期都会重复进行∀因此 当∂⁄ !∂⁄ 开关时 会在输出电压上产生扰动 这自然会增大输出电压波形的畸变率∀图 示出重复控制原理框图∀图 示出≥°• 逆变电源的工作波形∀不加重复控制时 受Υ 的影响 Υ 中有周期性的畸变 加重复控制后通过对误差的检测 计算出一个补偿量Υ 叠加在Υ 上 形成一个新的控制量Υ Υ 中叠加的Υ 部分用以补偿Υ 扰动所引起的电压跌落当Υ 很恰当时 可完全抵消Υ 的影响输出电压波形畸变就很小∀如果负载扰动的大小与周期不变 只要在每个周期中使用相同的Υ 就可使输出电压波形的误差完全被消除 这是用其它控制方式难以实现的∀图 ≥°• 逆变电源重复控制框图图 ≥°• 逆变电源工作波形不加重复控制 加重复控制由此可见重复控制实际上是一种补偿控制它根据整流及相控负载引起的输出电压误差在每个电源周期的相同位置重复出现这一特点 用一个周期性的补偿量来抵消周期性的扰动 以达到消除稳态误差的目的∀3 重复控制算法3 1 基本重复控制算法为了记忆前一周期中各时刻Υ 的值 在重复控制实用过程中 一般采用数字控制方式予以实现 各变量均为离散值∀这里假定逆变电源的数字控制系统中 每个周期内的采样次数固定为Ν Τ Τ式中 Τ)))信号周期Τ )))采样周期一个信号周期中不同采样周期内的变量值用下标κ来表示 如图 中Υ κ 表示给定信号在第κ个采样周期内的采样值如需区分不同信号周期中的值 则用另一个下标ϕ来表示∀如Υ κ,ϕ 表示第 个信号周期中第κ个采样点上Υ 的采样值 这里κ[Ν∀其它变量的离散值的表达方法同Υ∀图 重复控制中Υ 离散值表示方法根据以上定义 基本的重复控制算法可用下式表示Υ κ,ϕ)=Υ κ,ϕ)+Υ κ,ϕ)Υ κ,ϕ)=Υ κ,ϕ− ) +Χ #Υ κ+ ,ϕ− )Υ κ+ ,ϕ− )=Υ κ+ ,ϕ− ) −Υ κ+ ,ϕ−但并式中 Υ )))反馈电压Χ )))决定补偿量大小的系数式 可这样理解 在第ϕ 个信号周期的第κ 个采样点检测到有误差Υ κ ,ϕ就在第ϕ个信号周期中 根据误差的大小增加一个补偿量Χ Υ κ ,ϕ 到控制量Υ(κ,ϕ)中 且补偿量的调整采用积分形式 以确保误差为零时补偿量保持不变∀对式 做Ζ变换 可得Υ Ζ)=Υ Ζ)+ΥΖ)Υ Ζ)=Χ Ζ−(ν− )−Ζ−νΥ Ζ)Υ Ζ)=Υ Ζ)−Υ Ζ)( )式中 ν)))一个信号周期内的采样次数 ν Ν根据式 基本重复控制可用图 表示∀3 2 无过冲重复控制算法在基本的重复控制算法中对扰动的补偿三相≥°• 逆变电源重复控制技术的研究仅根据所检测到的误差来进行 靠补偿量的多次调整而逐步实现完全补偿∀无过冲重复控制是根据检测到的误差和系统模型 精确计算补偿量一次将扰动完全抵消 其框图见图∀图重复控制结构图图 无过冲重复控制框图图 中Γ 为控制系统前向通道的Ζ传递函数 它包括主电路及采样保持器∀ΓΖ 为Γ(Ζ)的反变换因此Υ Γ Ζ 就是补偿扰动误差所需的控制量 如果Γ(Ζ)足够精确 经重复控制的延迟 在下一信号周期的相应位置就可实现对扰动的全补偿∀这种无过冲控制在实际应用中也有缺陷 因为Γ(Ζ)中含有与负载有关的参数 而负载是畸变的 因此Γ(Ζ)不是精确模型实际上应用中只能采用欠补偿 然后通过积分逐步达到全补偿∀3 3 预测重复控制算法我们提出的预测重复控制算法是解决对扰动误差的恰当补偿∀这里的预测是指通过当前采样点以后的几个误差信息来判断负载的变化情况 如果负载变化趋势加重 则由误差可见输出电压变低如果误差减轻 则由误差可见输出电压变高 因此 可用当前采样点及之后的三个误差加权平均值来预测负载的变化情况 即Υ κ,ϕ Α Υ κ,ϕ Α Υκ ,ϕ Α Υκ ,ϕ式中 Α !Α !Α )))权系数为使重复控制对误差的补偿比较恰当 可将式 修改为Υ κ,ϕ Υ κ,ϕ Υ κ,ϕΥ κ,ϕ Υ κ,ϕ− Χ ≈Υ κ+ ,ϕ−Υ κ+ ,ϕ− Υ κ+ ,ϕ− Υ κ+ ,ϕ− Υ κ+ ,ϕ−式 中 Υ κ ,ϕ 为第ϕ 个信号周期中第κ 个采样点上对误差进行的如式 所定义的误差加权平均值∀这就是预测重复控制算法∀对式 ! 进行Ζ变换可得预测重复控制算法的Ζ域表达式Υ Υ ΥΥ Χ Ζ ν≈Υ ΥΥ Υ ΥΥΑ Α Ζ Α ΖΥ号周 根据式可给出图 所示的预测重复控制框图∀图 预测重复控制框图4 带重复控制的新型≥°• 逆变电源控制系统图 示出一种将重复控制与坐标变换!瞬时值反馈等技术结合起来构成新型全数字化≤∂≤ƒ逆变电源控制的系统框图∀这种方案既含有带坐标变换的瞬时值反馈控制系统的一系列优点≈ 又能通过重复控制来提高逆变电源对周期性扰动负载引起的输出电压波形畸变的抑制能力∀图 中Υ !Υ !Υ 为图 所示的三相逆变电源的输出电压瞬时值反馈信号 经过如下变换得到Υ 和ΥΥΥ根据 Ξτ Ξτ−ΠΞτΠΞτ Ξτ ΠΞτ Π ΥΥ Υ式中 Ξ)))角频率 Ξ Πφφ)))≤∂≤ƒ电源的工作频率5电力电子技术6 年第 期三相标准正弦信号经同样的变换之后 得到 2 坐标系的给定信号Υ 3和Υ 3 在 2轴分别经° 调节与预测重复控制补偿后 得到 2 坐标系下的控制信号Υ !Υ再通过空间矢量°• 算法≈ 可得到三相°• 控制信号Υ !Υ 和Υ ≤∀° 调节对输出电压的基波起主要的调节作用 预测重复控制则对周期性变化负载引起的输出电压的畸变起抑制作用∀图 带重复控制的新型≥°• 逆变电源控制系统框图5 仿真结果对主电路如图 所示 控制电路如图 所示的新型三相≥°• 逆变电源系统进行仿真时所用到的主要参数如下额定功率 Π ∂滤波电感 Λ Λ Λ 滤波电容 Χ Χ Χ Λƒ直流母线电压 Υ ∂输出频率 φΑ Α Α仿真中 为了更清晰地了解各变量的变化情况 将Υ !Υ !Υ 变换到Α Β静止坐标系下 以给出三相合成矢量的运行轨迹 合成矢量的计算公式为_Υ Π Υ ΠΥ当Υ !Υ !Υ≤为三相互差 β的标准正弦时 _的轨迹应该是一标准的园形≈ ∀图 示出不加重复控制 仅由° 调节器调节 逆变电源给整流负载供电时各电压矢量的轨迹∀此时给定电压矢量 _及控制电压矢量 _的轨迹均为园由于输出电压有较大畸变 _几乎为多边形∀图 示出逆变电源的输出电压及电流中一相瞬时值∀图不加重复控制时系统中各电压矢量轨迹图 不加重复控制时输出电压及电流波形图 示出加重复控制后逆变电源给整流负载供电时各电压矢量的轨迹∀此时给定电压矢量 _的轨迹仍为园 控制矢量 _的轨迹大幅度调整 使得输出电压矢量 _的轨迹重新恢复为近似园形∀图 示出此时输出电压及输出电流的波形∀由图可见 电压波形的失真较图 的大为减小∀图 加重复控制时系统中各电压矢量轨迹图 加重复控制时输出电压!电流波形下转第 页三相≥°• 逆变电源重复控制技术的研究致逆变失败∀因此 在整机调试时要注意他激引前角不要大于自激引前角太多 即τΒ稍大于τΒ较为合适∀选择合适的他激起动频率 可使起动成功率达 ∀给定恒反压时间τΒ一般在 Λ 左右 使输出中频电压和直流电压的比值为 ∗ ∀对于重炉 可使起动时给定反压时间τΒ大些 如 Λ 当自动跟踪成功后 自动变小而达到正常数值即 Λ 左右 实践证明效果良好∀参考文献林渭勋等 可控硅中频电源 北京 机械工业出版社黑龙江矿业学院机电研究所 晶闸管中频电源技术说明书 鸡西 黑龙江矿业学院出版社收稿日期 2 2收修改稿日期 2 2作者简介葛天孝 男 年 月生 副教授∀主要从事电力电子与微机测控技术的教学和研究工作∀刘成印 男 年 月生 副教授 正在攻读博士学位∀从事电力电子技术和微机测控技术的研究工作∀李国义 男 年 月生 副教授∀从事电力电子和微机测控技术的教学与研究工作∀李明学 男 年 月生 工程师∀从事电力电子和微机测控技术的研究工作∀上接第 页6结论重复控制是解决≤∂≤ƒ逆变电源给整流负载供电时波形畸变较大的有效手段∀本文提出的预测重复控制算法简单!有效∀仿真结果表明 将预测重复控制与瞬时值反馈控制结合起来构成的新型系统 可使周期性扰动负载引起的≥°• 逆变电源的输出电压波形畸变大为减小∀参考文献∏ • ≤ ƒ √ ⁄ × ⁄ ƒ ≤ 2 °• √ ∞∞∞ ≥χ ∗ × ∏ ∏ • √ ƒ ≤ °• √ • ≤ ƒ ∏ ∏ ∞∞∞ ≥χ × ° × √ • √ ∂ • √ °∞≤χ ∗康勇等 一种新型全数字化瞬时值反馈控制电源研究 船电技术康勇 高频大功率≥°• 逆变电源输出电压控制技术研究≈博士论文 华中理工大学收到初稿日期 2 2收到定稿日期 2 2作者简介康勇 男 年 月 博士 副教授∀主要从事电力电子技术及交流传动的教学与研究∀詹长江 男 年 月 博士生∀主要研究方向 电力电子技术及交流传动∀彭力 男 年 月 硕士 讲师∀主要从事电力电子技术的教学与研究∀陈坚 男 年 月 教授 博士生导师∀主要从事电力电子技术及交流传动的教学与研究∀ 5电力电子技术6 年第 期。

微网逆变电源控制技术的研究的开题报告一、选题背景微型电网是指由多个小型分布式电源组成的电力系统，可以通过智能化控制实现可靠供电、节能减排等优点。

随着社会经济的发展，人们对清洁能源的需求越来越大，微型电网的发展也得到了广泛关注。

微网逆变电源是微型电网的核心设备之一，主要负责将微型电网中的直流电能转化为交流电能供电。

如何控制微网逆变电源的输出能力、保证微网的供电质量和稳定性，是微型电网建设中亟待解决的技术问题。

二、研究目的和意义本研究旨在研究微网逆变电源的控制技术，实现对微型电网的有效控制和优化。

具体包括以下目标：1.分析微网逆变电源的性能特点，了解微网逆变电源的输出能力、效率和控制方式等。

2.研究微网逆变电源的系统控制方法，包括控制算法、控制模型和控制器设计等。

3.基于Simulink等仿真工具，建立微网逆变电源的仿真模型，并通过仿真实验验证该控制系统的可行性和有效性。

4.根据仿真实验，总结微网逆变电源的优化方法，提出改进控制策略和电路结构设计思路，为微型电网的建设和应用提供理论依据。

三、研究内容本研究主要涉及以下内容：1.微型电网和微网逆变电源基础知识的研究，包括微网的概念、特点、结构和应用现状，以及微网逆变电源的电路结构、工作原理和性能参数等。

2.微网逆变电源的控制方法研究，包括传统控制方法和新型控制方法，如MPPT控制、基于能量存储控制和基于模型的预测控制等。

3.建立微网逆变电源的控制系统仿真模型，使用Simulink等仿真软件进行仿真实验，验证控制系统的稳定性和性能。

4.分析仿真实验结果，总结微网逆变电源的优化方法，提出改进控制策略和电路结构设计思路，为微型电网的建设和应用提供理论依据。

四、研究方法和技术路线研究方法主要包括文献研究、理论分析和仿真实验。

具体技术路线如下：1.了解微型电网和微网逆变电源基础知识，收集和分析相关文献资料。

2.对微网逆变电源的性能特点和控制方法进行理论分析和研究。

收稿日期:1999-12-16.作者简介:张 凯(1972-),男,讲师;武汉,华中理工大学电力工程系(430074).基金项目:国家自然科学基金项目(59607007).U PS 逆变电源重复控制技术研究张 凯 康 勇 熊 建 陈 坚(华中理工大学电力工程系)摘要:将重复控制技术应用于U PS 逆变电源,构成了一种高性能、低成本的波形控制系统.分析了系统稳定性、稳态误差和收敛速度,并在此基础上提出了一种重复控制器频域设计方法.实验表明,采用该控制方案能将U PS 带非线性负载时的波形失真降到1.1%.关 键 词:U PS;波形控制;重复控制中图分类号:T M 464 文献标识码:A 文章编号:1000-8616(2000)06-0034-03图2 重复控制系统结构框图如何降低U PS 逆变电源带非线性负载时的波形失真是当前研究的一个热点.现有的许多解决方案是以系统的高动态响应来抑制负载扰动,对控制速度要求较高,且常需检测多个变量,故难于在实际产品中大量应用.重复控制技术利用负载电流的重复性减轻了控制难度,通过逐个周期地修正输出波形,稳态时可以实现很好的波形质量.系统只需检测输出电压,且无须很高的控制速度,故实施成本较低.本文对这种新型控制技术在U PS 产品中的应用进行了理论和实验研究.1 系统分析重复控制思想源于控制理论的内模原理.U PS 逆变电源的重复控制需要的内模是:稳态,即输出电压误差已衰减至零时,它仍能产生逐周期重复的控制作用,以抵消重复性非正弦负载电流的影图1 重复控制系统的内模响.图1给出了该内模的z 域形式,这是一个周期延迟正反馈环节,亦是一个周期信号发生器.图中N 是每基波周期对输出电压的采样次数.当环节输入信号(对应实际系统的输出电压误差)e 每周期重复出现时,输出c 是对e 的逐周期累加,只要输入不为零,输出的幅度将逐周期增长.误差e (在控制作用下)衰减为零时,c 并不会随之消失,而只是停止变化,维持上周期的波形,并且周期性地输出这一波形.包含这种内模的重复控制系统,其闭环传函分子含有(1-z N )因子,可以消除基波周期整数倍的重复性扰动对系统输出的影响.基于图1所示内模的重复控制器可以直接置于控制系统的前向通道上,如图2(不含虚线部分)所示.也可以采用 嵌入式 结构[1],如图2(含虚线部分)所示,其中的控制对象P (z )可以是逆变器本身,也可以是已经设计好的一个电压闭环的逆变电源系统. 嵌入式 结构实际上是把重复控制器当作给定量的校正器使用.图2中,r 为电压指令;u o 为输出电压;u r 是重复控制器叠加于指令r 之上的校正量.重复控制器除内模外的各环节如下:a.周期延迟环节z -N使得超前环节的设置成为可能.b.补偿器S (z )改造对象特性,稳定系统.c.超前环节z k (其中k 可称为超前步长),它抵消补偿器和对象的相位滞后.d.比例系数K r 最终确定校正量u r 的幅值.内模中的Q (z )是为克服对象模型不精确的影响,即增强系统鲁棒性而设置的滤波器或一个小于1的常数.它使该内模成为一个准(周期)积分环节.两种控制结构的差异仅在于是否有给定第28卷第6期 华 中 理 工 大 学 学 报 Vol.28 No.62000年 6月 J.Huazhong Univ.of Sci.&T ech. Jun. 2000量的前馈通道,所以就稳定性分析而言并无实质不同.下面仅结合嵌入式结构进行分析.由图2可推导出系统偏差与给定和扰动的关系: e(z )=(1-P (z ))(z N-Q(z ))z N-(Q (z )-z k K r S (z )P(z ))r (z )+Q (z )-z Nz N -(Q (z )-z k K r S (z )P (z ))d(z ).(1)系统特征方程为z N-(Q (z )-z kK r S (z )P (z ))=0.利用控制理论中的小增益原理可以导出系统稳定的一个充分条件如下:|Q(ej T)-ej kTK r S (ej T)Q(ej T)|<1,[0, /T ],(2)式中T 为采样周期.对于某一频率 ,以Q (z )的频率响应Q(e j T)的末端为圆心画一单位圆,如果复数ej kTK r S (e j T)P(ej T)落在该圆周内,则在频率为 处,式(2)得到了满足,如图3所示.若以上情况在整个频率范围成立,则系统必然稳定.图3 稳定性判别示意图(Q (ej T)=0.95)考虑一个理想情况:对象模型P (z )精确可知,因此可以令补偿器S (z )=1/P(z ),并令k =0,K r =1,且取消Q (z )(即Q (z )=1).此时式(2)的左端恒为零,复数e j kT K r S (e j T )P (e j T )的末端恒处于单位圆圆心,因而系统必然稳定,并且由于特征方程变成z N=0,而使系统呈现 无过冲 特性,即消除全部误差只需一个基波周期.实际上,由于P (z )难于精确得到,控制器与对象完美的对消是困难的,高频段的对消尤其困难.Q(z )即为此而设置,它使图3中单位圆圆心自(1,0)点左移,可以防止e j kT K r S (e j T )Q (e j T )在高频段逸出单位圆.关于误差收敛速度,由式(1)可得: z Ne(z )=(Q(z )-z N)d (z )+(1-P(z ))(z N-Q (z ))r (z )+H (z )e(z ),(3)式中H (z )=Q (z )-z k K r S (z )P (z ).假定Q(z )=1,且给定r (z )和扰动d (z )均具有完全重复性,即:z N r (z )=r (z )和z N d (z )=d (z ),则式(3)可简化为z Ne(z )=H (z )e(z ).这说明,每经过一个周期,误差将衰减为原值的H (z )倍.在前述的 无过冲 重复控制中,正因H (z )对任何频率均为0,故全部误差可在一个周期内衰减到0.关于稳态误差,对某一频率 ,由式(3)得e =(1-P(e j T ))(1-Q (e j T ))1-H (e j T )r +|(Q(e j T )-1)/(1-H (e j T ))| d.上式表明:稳态时,原系统本身的稳态误差|1-P (e j T )|r 以及扰动引起的误差都被抑制到原值的(1-Q(e j T ))/(1-H (e j T ))倍.若Q (z )=1,则重复控制系统无静差.实际上Q (z )不能取为1,此时的系统是一个有静差系统,且|H(e j T )|越小,稳态误差越小.由此可见,重复控制系统的稳定性、收敛速度以及稳态误差的大小都与H (e j T )有很大关系.H (e j T )的模值小,则系统的稳定性好、误差收敛快、稳态误差小.这可以作为系统设计的主要依据.2 系统设计一般重复控制系统设计方法[2],大多从对象参数模型出发,寻找一个可以在最大程度上与其对消的补偿器.因为对象的高频特性难于用低阶模型精确描述,而且极易受参数微变以及建模时忽略的高频模态(如反馈信号滤波器)的影响,所以这种 对消 型设计法难以保证足够的稳定裕度.另外,对U PS 而言,非线性负载引起的谐波集中在中低频段,所以高频段的对消(目的是使|H (e j T )|在高频段仍很小,以获取好的高频谐波抑制能力)不仅实现困难,而且实际价值也十分有限.显然,放弃高频对消以增加系统稳定裕度更为明智.文献[3]已经体现出这一思想,只是未结合理论加以阐明,也未提出完整规范的设计方法.本研究的设计步骤如下(Q (z )取为0.95):a.测取对象(即空载的U PS)的频率特性,可选择理论分析、仿真或实验的手段.b.根据对象的幅频特性选取合适的补偿器S(z ),使补偿后的对象中低频增益约为1(此即中低频幅频对消),而高频增益则迅速降至-26dB 以下.c.将补偿器和对象的相频特性叠加,据此并结合系统的采样频率选择合适的超前步长k,使35第6期 张 凯等:U PS 逆变电源重复控制技术研究得在整个中低频段内前向通道的总相移 e j kTS (e j T)P (e j T)尽量小(此即中低频相频对消).相位补偿得好,将使该频段|H (e j T )|较小,可增强对该频段谐波的抑制能力,使误差收敛速度加快.d.选择合适的K r .K r 的可选范围为0~1.若减小K r ,则增益稳定裕度增大,同时收敛速度变慢且稳态误差有所上升,反之则反.e.根据图3校验系统稳定性,估算主要谐波成分的收敛速度及稳态误差.稳定性校验应集中在相位补偿效果不佳的中高频段,不过|S (e j T)P (e j T)|<0.05以后的高频段无需校验.如果发现e j kT K r S (e j T )P (e j T )逸出单位圆的情况,则应回到步骤a 重新设计,直至满足稳定性条件.以上设计中,Q (z )亦可取为一个低通滤波器,此时图3中的单位圆圆心不是固定于(0.95,0),而是由低频时的(1,0)逐渐向左移动.这种情况下仍可仿照以上步骤设计,但校验稳定性时稍嫌麻烦.3 实验结果实验U PS 装置主电路结构为单相IGBT 半桥逆变加LC 滤波器.采用SPWM 控制.供电直流电压350V,输出交流电压有效值100V,滤波器参数:电感0.9mH,电容36 F.开关频率与采样频率皆为10kHz,对应采样周期0.0001s.开关器件死区时间2 s.取Q(z )=0.95.因SPWM 逆变器空载时阻尼比很小,谐振峰值较高,故补偿器S (z )由的二阶滤波器S 1(z )=(0.0699z +0.0524)/(z 2-1.301z +0.4232)以及零相移陷波滤波器S 2(z )=(z 6+2+z -6)/4所共同构成.S 2(z )陷波点位于5233rad/s ,它的幅频曲线在对象的谐振峰值附近有比二阶滤波器更高的下降斜率,可以在不减低逆变器中低频增益的同时较好地抑制其谐振峰.而S 1(z )主要提供高频衰减特性,增强系统抗高频噪声的能力.为对消补偿器和控制对象总的相位滞后,k 取为6,超前环节z 6具有指数型的超前相频特性,在低于4400rad/s 的频段可以较为理想地补偿S (z )P (z )的相位滞后.为兼顾稳定裕量和收敛速度,K r 取0.9.控制算法的实现采用一块TMS320F240DSP 通用控制板.以最常见的整流桥输入 大电容滤波 电阻负载作为非线性负载.实验结果如图4所示,其中U o 和i o 分别为输出电压与电流;p 为幅值占某波百分比.不带重复控制时,UPS输出图4 实验结果(a)无重复控制时的输出电压、电流波形;(b)无重复控制时的输出电压频谱(c)有重复控制时的输出电压、电流波形;(d)有重复控制时的输出电压频谱(下转第39页)36 华 中 理 工 大 学 学 报 2000年参考文献[1]Kw on B,K im T ,Y oum J.A Nov el SVM -Based Hys -ter esis Curr ent Controller.I EEE T rans.on P. E.,1998,13(2):297~307[2]K azmierkowski M P,M alesani L.Current ControlT echniques for T hree -Phase V oltage -Source P WM Con -ver ters:A Survey.IEEE T r ans.on I. E.,1998,45(5):691~703[3]Sato Y ,Kataoka T.State Feedback Contro l of Current -T ype P WM AC -to -DC Co nverter.IEEE.T rans.on I.A.,1993,29(6):533~541[4]Wu R,Dewan S B,Slemon G R.Analysis o f an AC -to -DC V oltage Source Converter Using PWM with Phase and A mplitude Control.IEEE T rans.on I. A.,1991,27(2):355~363[5]van der Broeck H W,Skudelny H C,Stanke G V.Analysis and Reslization of a Pulsew idth M odulator Based on V oltage Space V ector.IEEE T rans.on I.A.,1988,24(1):142~150[6]陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型PI D 控制及其应用.北京:机械工业出版社,1998.Vector Control of PWM RectifierL iu Ping K ang Yong Chen JianAbstract:The control m ethod of PWM converter based on the synchronous frame is presented in this pa -per.According to the PARK transformation,the synchronous model can be obtained.T he vector control method is established for the model.The ex perimental results demonstrate the analysis and the controlmethod.Key words:PWM rectifier;vector control;synchronous frameLiu Ping Doctoral Candidate;Dept.of Electric Power Eng.,HUST,Wuhan 430074,China.(上接第36页)电压电流波形如图4(a)所示.负载电流的波峰因子为3.1,而输出电压总谐波失真(THD)为4.3%.重复控制器投入后的电压、电流波形如图4(c)所示,输出电压明显趋于正弦,TH D 降为1.1%.图4(d)与图4(b)对照可以看出15次以下的中低频谐波成分均大幅减小,重复控制抑制谐波的效果十分明显.参考文献[1]Cosner C,Anwar G ,T omizuka M.Plug in Repetit iveCo ntrol for Industr ial Robotic M anipulators.Pr oceed -ings of the I EEE International Conference on Robo tics and Automation,1990,1970~1975.[2]T omizuka M ,Kempf C.Design of Di scr ete T imeRepetitiv e Controllers w ith Applications to MechanicalSystems .P roceedings of the I FAC 11thWorldCo ngr ess,1990,243~248[3]T zou Y ing -Yu,O u Rong -Shyang ,Jung Shih -L iang ,et.al.H igh -Per for mance Prog rammable AC Power Source w ith L ow Har monic Di stortion U sing DSP -Based Repet -itive Contr ol T echnique.I EEE T rans.Pow.Elec.1997,12(4):715~725Repetitive Control of UPS SystemsZhang K ai K ang Yong X iong Jian Chen J ianAbstract:Repetitive control is synthesized in a UPS for forming a cost -effective waveform control system.T he stability ,static error,and convergence rate are analyzed,and a frequency domain design method is proposed.With this control scheme,a value of THD as low as 1.1%with a nonlinear load is obtained in the experiments.Key words:UPS;w aveform control;repetitive controlZhang Kai Lect.;Dept.of Electrical Pow er Eng.,HU ST ,Wuhan 430074,China.39第6期 刘 平等:PW M 整流器的矢量控制。

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。