基于雙環控制和重復控制的逆變器控制方案研究

式中：v_ref是正弦參考電壓；

i_com是電壓環算出的電流環指令。

圖5(b)是補償負載電流后且忽略電流環動態過程的簡化電壓環。同樣用無差拍原理確定電壓環控制器K_V。

用零階保持器法得到離散的控制對象的傳遞函數為

GV(z)=Z=(7)

其閉環特征方程是

z－=0（8）

將閉環特征根全部配置在原點，得到

K_V=C/T（9）

圖6是逆變器對數頻率特性曲線，虛線為開環頻率特性，實線為經過解耦和補償后雙環無差拍系統的閉環頻率特性。很明顯，逆變器開環諧振峰被削掉了，原來的欠阻尼性質得到了極大的改善，對于穩定性也有利。閉環帶寬增加到2kHz，動態響應速度大大加快。

圖6 對數頻率特性曲線（虛線：開環；實線：加雙環之后）

瞬時電壓環對負載電流進行的補償在一定程度上抑制了由負載引起的波形畸變。但這種補償只有在電流環的傳遞函數為1時才能進行完全，否則，給出的補償信號總存在相位誤差。在設計瞬時電壓環時只能近似認為電流環傳遞函數為1，所以，雙環系統雖然能達到很快的動態響應速度，但對抑制整流性負載造成的波形畸變效果有限。為了得到更好的穩態波形，勢必采用一種能完全補償擾動的方案，重復控制就是一種成熟有效的手段。本控制方案在電流電壓雙環的基礎上加入一個重復控制環構成復合控制系統。它位于雙環的外層，對穩態波形質量進行控制。

2．2 重復控制器設計

如圖7所示，PB(z)是設計好的雙環系統，負載及其他因素的影響由擾動量d等效。重復控制器的輸出疊加于原有的參考輸入之上，以產生矯正作用。重復控制器由周期延遲正反饋環節和補償器K_rz^kS(z)組成，N是數字控制器每周期的采樣次數，Q(z)用以增強系統的穩定性，常取為0.95。周期延遲正反饋環節對逆變器輸出誤差進行逐基波周期的累加。補償器的作用是與逆變器對象實現中、低頻對消和高頻衰減，這樣重復內模（即周期延遲正反饋環節）給出的補償信號才能幅值和相位均正確地與擾動對消，實現穩態波形的無差。P_B(z)是加雙環之后的等效逆變器對象，從圖6可以看出其諧振峰已經被抵消，因此，補償器的設計大大簡化，只須完成高頻衰減和相位補償的功能。K_r是重復控制器增益，S(z)取為一個截止頻率與P_B(z)近似的二階濾波器以實現高頻衰減，超前環節Z^k實現S(z)P_B(z)的相位補償。由于超前環節的存在，所以引入周期延遲環節z^－N，否則，重復控制器無法物理實現。

圖7 帶重復控制環的復合系統

因為z^－N的引入，重復控制器對擾動的矯正要延遲一個基波周期，但是位于內層的雙環無差拍控制器則對擾動有著極快的抑制作用。相反地，雙環無差拍控制器對擾動的補償是有限的，而重復控制的引入可將擾動近乎完全補償，穩態效果極佳。此外，如圖6所示，雙環控制使逆變器對象的截止頻率加大到2kHz，重復控制器的補償范圍也得以擴大。

3 系統設計與實驗

本控制方案在一臺基于DSPTMS320F240控制系統的IGBT單相半橋逆變器實驗裝置上得到了驗證。實驗裝置參數為：濾波電感1.14mH；濾波電容20μF；輸入直流電壓250V；輸出交流電壓幅值100V。

開關和采樣頻率均為10kHz，根據上述分析，計算出K_V=0.2，K_C=11.1。

加雙環后的等效逆變器控制對象是

P_B(z)=（10）

據此選擇二階濾波器

S(z)=（11）

超前環節是z⁴，取K_r=1，N=200。

圖8是雙環系統帶非線性負載時的波形，THD達4.84％，可見瞬時電壓環對電流擾動的補償效果有限。圖9是復合控制系統負載突加過程，在突加阻性負載時，經0.5ms波形便恢復正常，在最惡劣的情況下即突加整流負載時，經5個基波周期波形也能完全恢復正常。圖10是復合控制系統穩態工作波形，帶阻性負載時的THD是1.71％，帶整流性負載時的THD是1.54％。

電 壓 ： 50 V/格 電 流 ： 10 A/格