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摘要：提出一种逆变电源无差拍控制方式和传统PI控制方式相连系的复合控制方式。在理论分析的根蒂根基上哄骗MATLAB/SIMULINK建立响应的逆变电源系统模子，在仿真进程中肯定PI控制器参数值，从而完成整个控制器的设计。在分歧负载情况下和主电路滤波器参数发生变化时的仿真成效讲明设计的逆变电源系统抗负载扰动能力强，对参数具有一定的鲁棒性，能很好地跟踪正弦参考旌旗灯号。这类复合控制方式为逆变电源的并联提供了另外一种方案。
要害词：无差拍控制；PI控制器；逆变电源；仿真
1引言
随着高性能微处置器（如DSP）的泛起，逆变电源的控制策略趋向于数字化。无差拍控制是一种数字控制方式，它较之其他的数字反馈控制方式具有更快的动态响应等优点。无差拍控制本质上要求脉冲宽度必需当拍计较当拍输出，但微处置器计较脉宽不成避免地引进计较延时，从而限制了脉冲宽度年夜占空比。采用状态观测器对逆变器状态进行预估量可解决以上问题。是以，今朝的无差拍控制年夜多是基于状态观测器的。然而状态观测器的参数是由主电路滤波器参数来决议的，是以，仅具有状态观测器的无差拍控制对主电路滤波参数变化比力敏感。为了让逆变电源顺应各类分歧类型的负载，分歧形式的扰动观测器获得了深进的研究，但其算法年夜多比力复杂。
本文彩用无差拍控制和传统的PI控制方式相连系的复合控制方式，既哄骗了无差拍控制的快速动态响应特征，又哄骗了PI控制具有较强的鲁棒性，据此设计的控制器能够使得逆变器的输出电压很好地跟踪参考正弦波，在电容性整流负载下输出电压也具有很好的正弦性，同时对主电路参数具有鲁棒性。本文首先具体地介绍了逆变电源系统模子的建立及控制算法的基来源根基理，然后在MATLAB/SIMULINK下建立了电源系统的仿真模子，完成了控制器的参数设计，并给出电源在分歧负载下和主电路滤波器参数变化下的输出电压仿真波形，后给出了一些有用的结论，对进一步的实验研究具有重要的指导意义。
2系统模子及控制原理
2.1系统模子
图1给出了单相逆变器的主电路结构和单个输出脉冲形式。 (a)主电路(b)输出脉冲
图1逆变器电路拓扑结构及输出脉冲形式 凭据图1(a)，以滤波器电感电流iL(t)及电容电压uo(t)为状态变量，将负载电流io(t)看成扰动输进，则逆变桥输出滤波电路的状态方程为
对ui(t)作分歧的处置，则与式（1）对应的离散状态方程也有分歧形式，此处，采用逆变电源的采样数据模子。为此，需假定每一个采样周期Ts内ui(t)和io(t)连结不变。由于采样频率比力高，认为io(t)连结不变是合理的，而凭据等效冲量原理，用ui(t)在一个采样周期内的平均值来取代该采样周期内的ui(t)值，如图1(b)所示。在以上假定下，式(1)可离散为
2.2控制原理
本文所研究的逆变电源系统框图和控制律时序如图2所示。 (a)逆变电源系统框图 (b)控制律时序
图2逆变电源系统框图和控制律时序 为了组成反馈控制系统，需要检测若干逆变器主电路状态变量，这里检测负载电流和逆变器输出电压。为了对逆变电源输出电压进行控制，检测输出电压是需要的。之所以检测负载电流主要是斟酌到从此逆变电源并联运行时的负载均流问题，此外它还可以使得逆变器顺应各类负载。
由式（2）可获得
连系式（3）和式（4），并将uo(k＋1)，uo(k＋2)划分用Vref(k＋1)，Vref(k＋2)取代，可获得无差拍控制律
从式(5)可看出，假设io(k＋1)及iL(k)也能求出，则u(k＋1)就可求出。采用一个二阶预估方式对负载电流io(k＋1)进行预估。
假设此时将式(5)中的io(k＋1)，iL(k)划分用(k＋1)，(k)取代，求出控制律，那末该控制器将具有无差拍控制器所具有的错误谬误：对主电路参数敏感，抗扰动性较差。为此，引进PI控制，如图2(a)所示。
式中：kp，ki，为PI控制器参数，可经由过程仿真来肯定。
将式(5)中的io(k＋1)，iL(k)划分用(k＋1)和(k)取代，可获得终控制律。算出控制量u(k＋1)后，就可获得响应的脉冲宽度T(k＋1)。
3电源系统仿真模子的建立
在所研究的电源系统中，逆变电源主电路部门属于接连时间系统，而控制器部门则属于离散时间系统，是以，仿真模子也应属于接连与离散的夹杂模子，所选择的仿真软件工具要求能支持接连与离散时间系统的夹杂仿真。MATLAB就是这样一种仿真工具，本文就是在MATLAB/SIMULINK的情况下对所研究的电源系统进行建模的。
本文研究的逆变电源系统的仿真模子是基于传递函数的概念而建立的。将逆变电源主电路微分方程和离散控制律u(k＋1)的表达式转化成响应的传递函数形式，就能获得如图3所示的仿真模子。这里，逆变器主电路的模子采用比力接近现实模子的采样模子，也就是说主电路滤波器输进ui(t)用每一个开关周期内逆变桥臂输出电压的平均值来取代，同时假定功率开关器件为没有时间延时的理想开关。逆变电源所带的各类负载经由过程MATLAB中的S函数加以实现。在控制器模子的建立方面，值得注重的是应将系统中的离散模块的采样时间设置为电源系统的采样时间。用上升沿触发控制模块来模拟AD采样连结行为，实现对逆变器输出电压及负载电流进行采样，同时在控制量输出与逆变电源模子的输进量之间加了一个纯数字延迟模块，以暗示微处置器计较驱动脉冲所带来的计较延时。 图3基于MATLAB的逆变电源系统的仿真模子 在负载变化的情况下，无差拍控制方式下的控制量u（k＋1）极可能超越逆变电源的直流母线电压，为此，要对u(k＋1)进行限幅。加了限幅器以后，又可能带来非线性问题，是以，要对这类非线性进行抵偿，一种简单有用的抵偿方式如图4所示。 图4限幅器的非线性抵偿 4仿真成效及分析
表1—表3列出了仿真时用到的主电路参数。需要说明的是由于该算法比力简单，假设采用单片机或DSP，完全有可能在25μs内完成所有控制算法，所以开关频率选择为40kHz。滤波电容电感的选择，要综合斟酌滤波效果和滤波器所吸收的无功功率。 凭据表1—表3的参数，连系上面理论分析部门，可肯定图3所示的仿真模子的年夜大都参数，剩下的未肯定参数就是PI控制器的参数kp，ki。这两个参数可经由过程以下方式来肯定：让逆变电源工作在突加突卸负载的状态下，并将突加突卸时刻点选择在输出电压的峰值处，首先将kp取一个较小的值，然后逐渐增年夜kp值，并同时观察输出电压波形，直到输出电压波形变得较差为止；kp肯定下来后，经由过程改变ki值，并观察输出电压在突加突卸负载下的动态进程，直到获得知足的动态响应。经由过程以上步骤，终选择kp=0.4，ki=5。
为了说明所设计的控制器的有用性，让逆变电源划分工作在阻性负载和电容性整流负载的状态下。图5和图6划分是以上两种情况下输出电压uo，输出电流io及参考正弦旌旗灯号Vref的仿真波形。可以看出所设计的逆变电源系统能较好地顺应各类负载。图5逆变电源在100％突加/卸阻性负载（R=30Ω）下的波形 图6逆变电源在100％突加/卸电容性整流负载（C=2200μF，R=40Ω）下的波形 为了验证控制用具有一定的鲁棒性，改变滤波器电路参数，观察仿真实验波形。可以发现，假设滤波电容值连结为设计值，滤波电感值在95％～105％范围变化时，逆变电源输出电压在整流性负载下仍能很好地跟踪参考正弦旌旗灯号。假设滤波电感值连结为设计值，滤波电容值在87.5％～175％范围变化时，输出电压也能很好地跟踪参考旌旗灯号。图7，图8划分给出了滤波电感削减5％和滤波电容削减12.5％时的仿真波形。 图7滤波电感削减5％时的仿真波形 图8滤波电容削减12.5％时的仿真波形 5结语
本文具体地介绍了逆变电源无差拍控制方式和传统PI控制方式相连系的复合控制方式基来源根基理，在此根蒂根基上建立了逆变电源系统的仿真模子，在仿真进程中肯定了PI控制器参数值，从而完成了整个控制器的设计。逆变电源在分歧负载情况下的仿真波形，说了然所设计的电源系统抗负载扰动能力强；在主电路滤波器参数发生变化时的仿真波形，说了然所设计的系统对参数具有一定的鲁棒性。由于该电源输出电压能很好地跟踪输进参考正弦波，是以可以实现多台逆变电源的并联运行。 |