单相PWM逆变器的建模讲诉
3 PWM逆变器的动态建模
逆变器作为一种开关电源，具有效率高、体积小及重量轻等显著优势，近几年获得了迅速的发展。由于逆变器电路工作在开通和关断两种状态，整个逆变器电路系统为以非线性时变系统，因而一般的线性系统理论不能直接应用。随着电力电子技术及现代工业、尤其是航空航天事业的发展，对诸如逆变器等电力电子器件的要求越来越高。依赖传统的方法，仅通过反复调节控制系统的结构和参数来满足动态特性的要求已经远远不够，这就促使人们深入的了解逆变器系统内部的电磁过程，寻求其数学描述，即建立逆变器电路系统的数学模型。
状态空间平均法是一种对非线性电源系统进行线性化和小信号处理的建模方法，从而得到电源系统的小信号状态方程，并给出了系统的小信号等效电路，结合控制系统的传递函数，便可使用频域法和时域来分析开关电源电路，该方法的前提是系统的响应频率远远低于开关电源电路，因而对系统的高频特性描述的不太精确。但是该方法比较简单、直观、参数变化对系统的影响也比较明了。因此本章将应用状态空间平均法建立PWM逆变器数学控制模型，通过介绍该模型构建过程，总结出其特点、适用范围与使用方法，以阐明状态空间平均法对逆变器建模的实质、方法、步骤和意义。
3.1状态空间平均法
3.1.1基本思想
当考察一段远比单个开关周期长的时间里的状态行为时，可以忽略单个开关周期内的状态变化细节，状态的总体变化趋势可用连续序列的单个开关周期里状态均值的改变来等效。这样等效的前提是系统的带宽远小于开关频率，以至于系统状态的改变对开关频率而言足够缓慢。这样，就能从原有的不连续的统一状态方程得出满足所需精度的、描述系统状态变化趋势的、连续的状态方程，从而可以运用控制工程的一些手法和手段对逆变器系统进行分析设计。
3.1.2基本方法
状态空间平均法是针对开关电路的开关器件工作在开通和关断两种工作状态，分别列写状态方程。
在导通期间（on t t ∈）为 ?
??=+=x C y u B x A x on on on （3.1）
在关断期间（off t t ∈）为 ??
???=+=x C y u B x A x
o f f o f f o f f （3.2）
式中，x 表示状态变量，u 表示独立电源，y 表示输出变量。
将式（1）和式（2）平均可得：
[][]
[]
??
???+=+++=x C d dC y u B d dB x A d dA x off on off on off on ''
' （3.3） 式中 T t d on =
; T
t d off
='
=d -1 如果定义：off on A d dA A '
+=；off on B d dB B '
+=；off on C d dC C '+=，
则有
?
??=+=Cx y Bu Ax x （3.4）
上式即为开关电路的状态平均方程。可见这是一个线性方程，可用线性系统理论进行处理，而且已证明，当系统的响应频率远低于开关频率时，式（4）能很好地反映系统的实际情况。
式（4）中的A 、B 、C 一般与开关器件的导通占空比d 有关。d 随时间变化时，A 、B 、C 也随时间变化，所以式（4）仍是一个时变系统。
3.2 单相电压型PWM 逆变器的状态空间平均法模型
单相PWM 逆变器的等效电路如图3.2.1所示，图中L 为输出滤波电感，C 为输出滤波电容，r 为包括了线路电阻、开关管压降和死区效应等损耗的等效电阻。 直流电压源E 通过功率开关器件在每个开关周期内开通和关断各一次，向负载提供交流电。电压i u 可以去三个值：+E 、0或-E 。因此i u 是幅值为+E 、-E 或0的电压脉冲序列，电流o i 表示负载电流。
由于PWM 逆变器各个功率开关器件均工作在开关状态，因此是一个线性和非线性相结合的系统，分析起来有一定的难度。若假设直流母线电压源E 的幅值恒定，功率开关为理想器件，且逆变器输出的响应频率远远低于开关器件的动作频率，则逆变器可以被简化为恒定增益的放大器，单相电压型PWM 逆变器的状态模型电路如图3.2.2所示。
图3.1 单相电压型PWM 逆变器主电路拓扑
根据电容和电感器件的伏安特性可知：
dt
du C
i C
C = (3.5) dt
di L u L
L = (3.6)
开关器件导通期间PWM 逆变器等效电路如下所示：
图3.2 PWM 逆变器导通时等效电路
基于基尔霍夫电压定律和电流定律，可以得到逆变器的小信号模型为：
??????
?--=-=L C i L o L C i
L r u L u L dt di i C
i C dt du 1111
(3.7)
选择电容电压C u 和电感电流L i 作为状态变量，则PWM 逆变器的连续时间状态方程为：
????
??????
???????????=?
??????????
???????-+??????????????????--=L C o i L C i u y i u L C i u L r L C x 010110110 （3.8）令：
?
?
?=+=x C y u B x A x
on on on (3.9)
则式中[]
T
L C i u x =；[]T
o i
i u u =；C u y =；
????????????--=L r L C A on 110；?????
???????-=0110L C B on ；[]01=on C
开关器件关断期间评委们逆变器等效电路如下所示：
图3.3 PWM 逆变器关断时等效电路
由图3.3可知：
??????
?=+-=0dt
di C i C i dt du L L o C
（3.10）
选择电容电压C u 和电感电流L
i 作为状态变量，则PWM 逆变器的连续时间
状态方程为：
???????=??????????????
-+?????
?????????=C
o i L C u y i u C i u C x 00100010 (3.11)令：
??
???=+=x C y u B x A x off off off （3.12） 则式中
????????=0010C A off
；???
?????-=0010C B off ；[]01=on C
将式（3.9）和式（3.10）平均可得：
[][]
[]
??
???+=+++=x C d dC y u B d dB x A d dA x off on off on off on '
'
' （3.13） 式中 T t d on =; T
t d off
='
=d -1
定义：off on A d dA A '+=；off on B d dB B '
+=；off on C d dC C '+=，
则：
?
?
?=+=Cx y Bu Ax x
（3.14） 式中：
off on A d dA A '+==?????
?
??????--L dr L d C 10； off
on B d dB B '+==?????
???????-010L d C ；
off on C d dC C '+==[]01
由式（3.14）可得：
???????+--=-=i L C L o L C u
L d i L dr u L d dt
di C i i C dt du 1
（3.15）
3.3小信号交流等效电路图
小信号交流模型也可以用等效电路表示，可以增加直观性和便于记忆。用等效电路表示小信号交流模型的方法不是唯一的，一般以简单性和物理意义明确等作为选择等效电路。如图3.4所示
图3.4 PWM 逆变器小信号等效图
对电路作扰动信号，即令：
i i i u
U u ?+= （3.16） C C C u
U u ?+= (3.17) L L L i I i ?+= （3.18）
d D d ?+= （3.19）
把式（3.16）至式（3.19）带入式（3.15）中可得：
()
()()(
)
()()???????+++++-++-=+-+=+i i L L C C L L o L L C C u U d D L i I d D L r u U L d D dt i d dt
dI C i i I C d u d dt
dU ?1??????1? (3.20)
3.4 求
i C u
u ??的传递函数（前提条件是0?=d
） 化简式（3.20）得：
()
()()
()???????+++-+-=+-+=+i i L L C C L L o L L C C u U L D i I L Dr u U L D dt i d dt
dI C i i I C dt u d dt
dU ?????1? （3.21）
上式中忽略二次项，消去稳态分量，对小信号进行拉氏变换得：
()()()()()()()?????+--=-=s u D s i Dr s u
D s i Ls s i s i s u Cs i L C L o L C ?????? （3.22）
化简式（3.22）可得：
()()()()()()()?????+-=+-=s u D s u
D s i Dr Ls s i s i s u Cs i C L o L C ????? （3.23）
由式（3.23）可得：
()()()()s i D CDrs LCs Dr
Ls s u D CDrs LCs s u s u O i i C ++++++=2
21?? (3.24) 由于D 是一常数，为方便分析计算，取D=1，则可得：
()()()()s i Crs LCs r
Ls s u Crs LCs s u s u O i i C 111??2
2++++++= （3.25）
由式（3.25）可以看出，逆变器空载时阻尼最小，系统震荡最激烈，控制难
度最大，所以控制器的设计要基于空载来进行。空载时,负载电流0=o I ,从调制器输入端到逆变器输出端电压的传递函数为：
()()()1
1
2
++==
rCs LCs s u s u s G i C （3.10）
根据各变量之间的联系，的到逆变器的等效框图如图（3.2.3）所示，i u 和O i 作为系统的输入，图中()s Z 为负载阻抗，由于负载阻抗的多样性，即使负载上电压为纯正弦波，负载电流也可能是任意波形，若把负载电流o i 处理为控制系统的一个扰动输入信号，当逆变器带非线性负载时、负载的非线性也仅表现在扰动的非线性。这样的负载具有较强的代表性，而且数学模型形式简单，不依赖于具体的负载类型。
由于等效电阻r 很小，逆变器可以近似看作一个无阻尼二阶震荡环节。这时，系统对扰动的抑制能力比较弱，采用一定的控制策略可以加大整个系统的阻尼，达到快速性和稳定性的要求。
3.2.3 PWM 逆变器等效框图
光伏并网逆变器控制与仿真设计
光伏并网逆变器控制与仿真设计 为了达到提高光伏逆变器的容量和性能目的，采用并联型注入变换技术。根据逆变器结构以及光伏发电阵电流源输出的特点，选用工频隔离型光伏并网逆变器结构，并在仿真软件PSCAD中搭建光伏电池和逆变器模型，最后通过仿真与实验验证了理论的正确性和控制策略的可行性。 ?近年来，应用于可再生能源的并网变换技术在电力电子技术领域形成研究热点。并网变换器在太阳能光伏、风力发电等可再生能源分布式能源系统中具有广阔发展前景。太阳能、风能发电的重要应用模式是并网发电，并网逆变技术是太阳能光伏并网发电的关键技术。在光伏并网发电系统中所用到的逆变器主要基于以下技术特点：具有宽的直流输入范围；具有最大功率跟踪（MPPT）功能；并网逆变器输出电流的相位、频率与电网电压同步，波形畸变小，满足电网质量要求；具有孤岛检测保护功能；逆变效率高达92％以上，可并机运行。逆变器的主电路拓扑直接决定其整体性能。因此，开发出简洁、高效、高性价比的电路拓扑至关重要。 ?1 逆变器原理 ?该设计为大型光伏并网发电系统，据文献所述，一般选用工频隔离型光伏并网逆变器结构，如图1所示。光伏阵列输出的直流电由逆变器逆变为交流电，经过变压器升压和隔离后并入电网。光伏并网发电系统的核心是逆变器，而电力电子器件是逆变器的基础，虽然电力电子器件的工艺水平已经得到很大的发展，但是要生产能够满足尽量高频、高压和低EMI的大功率逆变器时仍有很大困难。所以对大容量逆变器拓扑进行研究是一种具有代表性的解决方案。作为太阳能光伏阵列和交流电网系统之间的能量变换器，其安全性，可靠性，逆变效率，制造成本等因素对于光伏逆变器的发展有着举足轻
并网逆变器电流控制方法
并网逆变器的电流控制方法陈敬德，1140319060；杨凯，1140319070；指导老师：王志新（上海交通大学电气工程系，上海，200240） 摘要：并网逆变器是光伏发电系统的一个核心部件，其控制技术一直是研究的热点。其使用的功率器件属于电力电子设备，它们固有特性会对系统产生不利的影响，为了防止逆变器中的功率开关器件处于直通状态，通常要在控制开关管的驱动信号中加入死区，这给逆变器输出电压带来了谐波，对电网的电能产生污染。本文对传统的控制方法重复控制、传统的PI控制、dq轴旋转坐标控制、比例谐振控制进行了总结分析，并比较了它们的优缺点。 关键词：并网逆变器，重复控制，传统的PI控制，dq轴旋转坐标控制，比例谐振控制 0引言 随着现代工业的迅速发展，近年来全球范围内包括煤、石油、天然气等能源日益紧缺，全球将再一次面临能源危机，同时，这些燃料能源的应用对我们所生活的周围环境产生了严重的影响。环境问题受到了人们的广泛关注，为了解决能源紧缺以及环境污染问题，寻找可再生能源是解决这一问题的有效方式。太阳能因其清洁，无污染的优势受到了人们的青睐，太阳能光伏发电是目前充分利用太阳能资源的主要方式之一。太阳能发电主要有单独运行和并网运行两种模式，其中并网运行发展速度越来越快，应用的规模也愈来愈大[1]。逆变器是光伏发电系统中的关键部件，逆变器的工作原理是通过IGBT、GTO、GTR等功率开关管的导通和关断，把直流蓄电池电能、太阳能电池能量等变换为电能质量较高的交流电能，可以把它看成是一种电能转换设备。功率开关管的开关频率一般都比较高，因此利用它们进行电能转换的效率也比较高，但有一个很大的缺点是由它们组成的逆变系统的输出电能却不理想，其输出的波形中包含了很多对电能质量产生不利的方波，而很多场合都要求其输出的是一定幅值和频率的正弦波，所以要寻找更好的控制策略来提高逆变器的电能质量，让其输出各项性能指标都满足要求的波形。目前所用的逆变器可以分为以下两类：一类是恒压恒频逆变器，这类逆变器在各种电源持续供电的领域应用广泛，它能够输出电压幅值和频率都是特定值的交流正弦波，简称CVCF 逆变器。第二类是变压变频逆变器，这种逆变器主要用在电动机的调速系统中，它能够输出特定的幅值电压和频率，简称VVVF 逆变器[2]。 本文将对并网逆变器的几种常见控制方法进行总结，如传统的PI控制、基于dq 旋转坐标系的控制、重复控制及比例谐振控制。给出了框图和数学模型，并指出了它们各自的优缺点。 1重复控制 1.1重复控制思想 重复控制是基于内模原理的一种控制方法。所谓内模原理，即在一个闭环调节系统中，在其反馈回路中设置一个内部模型，使该内部模型能够很好的描述系统的外部特性，通过该模型的作用可使系统获得理想的指令跟踪特性，具有很强的抗干扰能力
并网逆变器的控制系统及控制方法与制作流程
图片简介: 本技术介绍了一种并网逆变器的控制系统及控制方法，所述的控制系统包括：检测单元、锁相单元、计算单元、乘法器、复位积分器、比较器、RS触发器以及选择开关，选择开关对RS触发器的信号经过选择后得到逆变系统中开关S1、S2、S3、S4的驱动信号g(S1)、g(S2)、g(S3)、g(S4)，其中，选择的依据由电网电压ug提供，通过在每个开关周期保持输入电路的能量与输出能量和电路中消耗及储存的能量相等来实现并网逆变器的控制。本技术实现了对可再生能源等直流源不稳定，且电网存在波动情况的并网系统的控制，能够抑制直流侧电源不稳定对并网电流的影响，且提高了并网电流对于电网波动的动态响应速度。 技术要求 1.一种并网逆变器的控制系统，其特征在于，所述的控制系统包括：检测单元、锁相单元、计算单元、乘法器、复位积分器、比较器、RS触发器以及选择开关，其中， 所述的检测单元和选择开关与逆变系统相连，所述的检测单元检测得到逆变系统的并网电压ug、逆变器输出侧A、B点之间的电压uAB和电感电流il，所检测到的信号发送给计算单元以及经过乘法器后送入复位积分器； 所述的锁相单元与所述的检测单元相连，用于对所检测的并网电压的相位和频率进行锁定，用以确定给定并网电流的相位和频率；所述的计算单元、乘法器和复位积分器用于计算及处理所述的检测单元和锁相单元所得到的信号，所述的计算单元和所述的复位积分器的输出端分别与所述的比较器的两个输入端相连； 所述的比较器用于对所述的计算单元和复位积分器处理得到的信号进行对比，用于提供所述的RS触发器 的R端信号，R端为RS触发器的复位端；RS触发器的S端连接时钟信号，RS触发器的输出Q端和端与所述的选择开关相连，所述的选择开关对RS触发器的信号经过选择后得到逆变系统中开关S1、S2、S3、S4的驱动信号g(S1)、g(S2)、g(S3)、g(S4)。