双环反馈控制的SPWM逆变电源中电流环的设计(精)
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。
逆变器电压电流双环控制设计及研究
ＤＯ Ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ６— ４ ７ ２ ９ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ２ ． ０ ０ ６
逆 变 器 电压 电流 双 环 控 制 设 计 及 研 究
孙 静， 曹 炜， 苏 虎， 杨道 培
２ ０ ０ ０ ９ ０ ）
（ 上海电力学院 电气工程学 院 ， 上海
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ Ｖｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ Ｃｕｒ ｒ ｅ ｎ ｔ
Ｄｕ ａ ｌ － ｌ ｏ ｏ ｐ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｆ ｏ ｒ Ｉ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ｓ
Ｓ ＵＮ Ｊ ｉ ｎｇ，ＣＡＯ Ｗｅ ｉ ，Ｓ Ｕ Ｈ ｕ，ＹＡ ＮＧ Ｄａ ｏ ｐ ｅ ｉ
Ａ ｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ： Ｔｈ ｅ Ｐ Ｉ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ｉ ｓ ｕｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｂｏ ｔ ｈ ｉ ｎ ｎ ｅ ｒ ｃ ｕｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｌ ｏ ｏ ｐ ａ ｎ ｄ ｏ ｕ ｔ ｅ ｒ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ
第３ １卷 第 ２期
２ ０ １ ５年 ４月
上
ｏ ． ２ Ａｐ ｒ ． ２ ０ １ ５
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｐｏ ｗｅ ｒ
ｂ ｏｔ ｈ ｂ ｏ ｄ ｅ ｄｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎｓ ｅ． Ｔｈ ｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｓ ｏ ｆ ｐ ｒ ｅ ｖ ｉ ｏ ｕｓ ｌ ｙ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｄ ｕ ａ ｌ — ｌ ｏ ｏ ｐ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ
基于SPWM控制的电压_电流双环逆变器建模及其仿真_图文(精)
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(200905-54-05Modeling 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 controlmodel 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。
逆变电源双环控制技术的研究与设计
逆变电源双环控制技术的研究与设计【摘要】通过对逆变电源的数学模型分析，以电感电流和电容电压为反馈量进行闭环控制。
双环控制方案的电流内环扩大逆变器控制系统的带宽，使得逆变电源动态响应加快，输出电压的谐波含量减小，非线性负载适应能力加强。
最后，通过仿真和实验结果，表明所设计的双环控制策略具有电流跟踪快速，电压稳定稳定的特点。
1 引言交流移动设备使用量越来越多，如何将直流电源变为稳定的电能提供给设备已成为研究热点。
近年来4G技术的快速发展，移动应急通信基站需要大量的逆变电源。
在研项目正在建设一个移动电源研究平台，将直流电通过一台逆变电源转变成设备所需的交流电源，该逆变器是系统的一个关键部件。
在此为移动逆变电源研究平台设计了以电感电流和电容电压为反馈变量双闭环的控制策略，通过该逆变电源，为移动交流用电设备提供稳定可靠的电能。
2 逆变电源的工作模式逆变电源工作在如图1所示的四象限模式下，实现能量从交流侧移动设备和储能电池的双向流动。
一、三象限逆变电源向移动负载设备输出电能，二、四象限逆变电源从移动设备回收能量。
3 逆变电源的模型电流内环控制结构框图如图3，经过电流霍尔采集逆变电源输出电流与设定电流值做差运算，通过调节，产生给定信号。
设定电压前馈叠加电容电压，在输出滤波电感上得到电流控制信号。
可得电流环传递函数图4 电压外环控制结构框图电压外环控制结构框图如图4，经过电压霍尔采集输出电压信号与设定值做差运算，通过调节，产生给定信号。
电感电流信号前馈得到电流的误差信号，乘上电流霍尔系数1/ ，叠加电感电流，在输出电容上形成输出电压信号。
可得电压环传递函数5 仿真与实验逆变电源的参数如下，直流侧电源电压Vd = 200V，开关频率10KHz，三角载波峰值5V，电流霍尔0.2V/A，电压霍尔100：1，滤波电感1mH，滤波电容30uF，负载20Ω。
仿真波形如下图5在0.0875秒，设置负载突变为10Ω。
输出电压的动态响应过程为2m秒，动态响应速度快，波形质量无明显变化。
逆变器电压电流双闭环控制系统设计
逆变器电压电流双闭环控制系统设计余裕璞;顾煜炯;和学豪【摘要】逆变器在可再生能源发电中作为连接能量输入与输出负载的装置,发挥着重要作用,采用合适的控制系统可以得到满足后端电能质量需求的电能.针对电压单环控制调整滞后的缺点,补充中间电流反馈环节以提高控制系统的工作频率.比较了电感电流内环与电容电流内环反馈系统的区别,选取负载抗扰动性能更强的电容电流反馈系统,该控制方案对一般及整流性负载的干扰同时具有较强的平抑能力.针对输出电压及电感电流在数学模型上的交叉耦合作用,通过耦合信号前馈削弱其对控制系统的影响.提出一种基于“模最佳”的整定方法,对调节器的参数进行设计,最终利用仿真验证了所提设计方案的有效性.【期刊名称】《电力科学与工程》【年(卷),期】2019(035)003【总页数】7页(P1-7)【关键词】逆变器;双闭环控制;前馈解耦;模最佳【作者】余裕璞;顾煜炯;和学豪【作者单位】华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206;华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206;华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206【正文语种】中文【中图分类】TM7120 引言可再生能源在能源安全、能源总量、能源可靠性、环境无污染等方面均优于传统化石能源[1～3]。
微电网技术是利用可再生能源的主要方式之一[4～6]，“就地采集、就地使用”减少了中间环节的损耗，提高能量利用率。
逆变器是微电网中用于电能转换的主要装置[7]，保证微网运行可靠性。
逆变器的控制方案不局限于一种[8,9]，主要根据其运行目标确定。
在离网运行方式下其运行目标是维持母线电压和频率的恒定，保证负荷的电能质量需求,并网模式下运行一般要求输出给定的有功和无功[10]。
逆变器控制早期采用输出电压瞬时值反馈的单环控制，可以在一定程度上抑制负载的扰动，调节输出电压的波形，但是负载发生较大变化时输出电压畸变严重，其动态响应慢导致电压畸变调整时间长，不利于负载的正常工作。
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
双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计
双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计一、系统结构设计：系统结构包括输入电源、PWM逆变器、直流电机、电流环和速度环。
输入电源提供电压给PWM逆变器，PWM逆变器将直流电压转换为交流电压，并通过变换器将其提供给直流电机。
同时，电流环用于控制PWM逆变器输出的电流，速度环用于控制直流电机的转速。
二、电流环控制器设计：电流环控制器根据直流电机当前的速度误差，计算所需的电流控制量。
该控制量将通过PWM逆变器的调制信号控制输出电流的大小。
电流环控制器可以采用PI控制器或者其他控制算法，根据系统要求进行选择。
三、速度环控制器设计：速度环控制器根据输入的期望转速和直流电机当前的转速误差，计算所需的电流控制量。
该控制量将通过电流环控制器的反馈信号，控制电流环控制器的输出。
速度环控制器可以采用PI控制器或者其他控制算法，根据系统的要求进行选择。
四、参数调节与优化：在系统设计完成后，需要进行参数调节和优化来使系统达到更好的性能。
参数调节可以通过试验来进行，根据试验的结果来逐步调整控制器的参数，以达到期望的控制效果。
参数优化可以通过优化算法来进行，根据系统的动态特性和性能指标进行参数优化，以提高系统的控制性能。
双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统的设计需要考虑系统的控制精度、动态响应速度和稳定性等因素。
在实际的设计过程中，还需要考虑系统的成本和可行性等因素。
在设计完成后，还需要进行系统的实验验证，以确定系统是否满足设计要求，并进行必要的修改和改进。
总之，双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统的设计是一个复杂的过程，需要综合考虑系统的各个方面因素，并进行系统的参数调节和优化。
只有设计合理、参数优化的系统才能提高直流电机的控制性能和精度。
新人必看的双环电流型PWM控制器原理简析
新人必看的双环电流型PWM控制器原理简析
PWM控制器对于很多工程师来说，都是在电子电路系统设计过程中不可缺少的重要配件，其中，双环电流型PWM控制器在开关电源以及LED电源设计领域的应用更是非常广泛。
本文将会就这一双环电流型PWM控制器的工作原理和运行特点进行简析，希望能够对新人工程师的日常工作提供一定帮助。
双环电流型PWM控制器工作原理
所谓的双环电流型PWM控制器，其实也是PWM控制器的一种，但这种类型的脉宽调制控制器是在普通电压反馈PWM控制环内部增加了一个电流反馈的控制环节，因此这一元件除了包含电压型PWM控制器的功能外，还能够检测开关电流或电感电流，实现电压电流的双环控制。
一个基础的双环电流型PWM控制器电路原理图如下图图1所示。
图1 双环电流型PWM控制器原理图
从图1所提供的双环电流型PWM控制器原理图中可以明显看出，这一电流型控制器有两个控制闭合环路：一个是输出电压反馈误差放大器A，用于与基准电压比较后产生误差电压。
另一个是变压器初级（电感）中电流在Rs 上产生的电压与误差电压进行比较，产生调制脉冲的脉宽，使得误差信号对峰值电感电流起着实际控制作用。
结合图1所给出的双环电流型控制器的原理图，我们可以将这一PWM控制器的工作过程总结为：假设输入电压下降，整流后的直流电压下降，经电感延迟使输出电压下降，经误差放大器延迟，Vea上升，占空比变化，从而。
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陈元娣,朱忠尼,林
洁
(空军雷达学院电子对抗系,武汉
430019
摘要:针对目前电流环的设计方法不明确的问题,通过建立DC/AC系统的动态模型并对该模型进行理
论上的推导和分析得出了电流环的设计方法.该方法在系统参数不完全明确的情况下,电流内环尽量采取PI调节器,将使系统的稳定性更好,参数调整比较方便,能满足一定的带宽和动态特性.通过仿真实验验证了理论推导的正确性.
[2]Navid R Zargari , Phoivos D Ziogas , Geza Joos . A Two-Switch high-performance Current Regulated DC/ACCon-verter Module [J ]. IEEE Trans on Industry Applications , 1995, 31(3 :583-589.
1系统动态模型的简化设计原则
图1是SPWM正弦波逆变器的功率电路原理
框图.图2是其等效模型,图中T 1=L /r为滤波器电感的时间常数, r为滤波电感直流电阻, T
为电压检测电路
的延迟时间常数, LT为电流环, SPWM控制器加逆
变器的等效模型为
G 1=
K
PWM
U
ab
s Ls +r s
s
I
o =I
c
s
s
s
T 1
s i
s +
1
s
K p
i
s
(7
特别是当
s
s
T
(8
从式(6和式(8可看出来,只要PI调节器满足
4
i
=T 1条件在实际设计过程中很难完全满
足;② PI调节器的本质是滞后校正,它有降低系统稳定性趋势,按要求, G C的滞后校正网络的极点(p i =0
与零点
i
i
略小于1/T 1,以保
证系统的动态性能.因此,从实际操作和理论分析都证明,采取G C
为,在实际产品的研制过程中,电流环采取PI调节器,系统将更易于实现.
3结束语
通过对双环反馈控制的SPWM逆变电源系统的电流环设计原则及系统的开环特性分析,可得出如下结论:在系统参数不太明了的情况下,电流内环尽量采取PI调节器设计,它将使系统的稳定性更好,参数调整比较方便,能满足一定的带宽和动态特性.当系统参数比较明确或者系统惯性较小时,采取P调节器,可以降低系统调节的难度和复杂性.总之,内环采取哪种调节器应该由系统的本身性能来决定.参考文献:
与G O
的零极点抵消的设计
方法只是一个理想的分析.
若在
s
V
s +
11+T /r
T 1s +
1T +Kp K PWM K
s +1
(9
G
b =
K V K i K PWM K
/r
i
s
i s +
1
i
s +1
s +1
(10
式中K p为P调节器的放大倍数;=
900
i
=0.001, K =0.025,
关键词:逆变器;双环反馈;电流环中图分类号:TM464
文献标识码:A
近年来, SPWM正弦波逆变器的反馈控制技术发生2个较大变化, ①单环控制变为多环控制, ②有效值恒定反馈变为“瞬时”值反馈,目的是为了提高系统的动态响应速度和改善并控制在任意负载,特别是非线性负载下的输出波形
.对于双环
系统,一般采取电压外环,电流内环的设计.电压环的作用是跟踪和稳定输出电压,它的设计大多采取PI调节器模式.电流环的作用是使逆变器的动态响应加快,负载适应能力加强,并具有输出电流限制能力,可提高系统的可靠性,因此,电流环的设计是双环反馈控制的关键技术之一.对于电流环的设计,常见有P和PI 2种设计方法,在实际应用中到底选哪种方法合适,目前还没有成熟的结论.本文通过建立DC/AC系统的动态模型,对该模型进行理论上的简化和特性分析.理论分析表明:在系统参数不完全明确的情况下,电流内环尽量采取PI调节器;当系统参数基本明确或系统的惯性较小(如大功率逆变器情况下,可以考虑采取P调节器,可以降低系统的调节难度,提高系统的响应速度.通过对实际系统的仿真验证了本文结论的正确性.
V
=8, T =0.01.对式(9 ,式(10进行仿
真,其伯德图分别如图4、图5所示.
从仿真结果可见,若在
s
1010
/
幅值/d B
10
10
10
10
rad/s
101010
10
rad/s
1010
/
相角/(°图5PI调节时开环系统伯德图
500-50
-100-50-100
-150
-200-250
200空军雷达学院学报2006年
[3]FRASER M E, MANNING C D. Performance of Average Current Mode Controlled PWM Inverter with High Crest Factor Load [C ]//FifthInternational Conference on Power Electronics and Variable-Speed Drives . 2003:661-667. [4]朱忠尼,等.现代伺服系统[M ].成都:四川科技出版社, 2001:113-125.
U
C
=I
C
s
s Z
(2
将负载电流I
o看作输出扰动,
,女,硕士,主要从事电力电子技术研究.
文章编号:CN42-1564(2006 03-0198-03
U图1SPWM正弦波逆变器的功率电路原理框图
u g
i *
g I o
第卷20第3期2006年月
9空军雷达学院学报
Journal of Air Force Radar Academy Vol.20No.3Sep. 2006
[1]Naser Mabdel-Rahim, John E Quaicoe . Analysis and De-sign of a multiple Feedback Loop Control Strategy for Single-phase Voltage Source UPS Inverters [J ]. IEEE Trans . on PE , 1996,11(4 :532-541.
第3期
陈元娣,等:双环反馈控制的SPWM逆变电源中电流环的设计
199
图,如图3所示.
根据实际情况,逆变桥及滤波电路系统模型有2种进一步简化的方式.
(1 T 1>>1
,
s
T 1s K 1
T
(3
式中K 1=K PWM K
i
=T i +T
T i , T <<1, T 1不远远大于1时,则G
o
=
K 1
1+
T