基于逆变电源双闭环控制系统的探讨

丁星

【摘 要】现在无线通信技术被广泛应用在各个行业中，同时电能在其中具有无可替代的作用。为了使电能可以最大化的利用，电力能源要进行能源交换，这个过程是通过电力电子技术完成的，逆变电源电压输出波形主要有三个方面，分别是稳态精度高、动态性能好以及负载适应性强，逆变电源为了满足这个需求设置了双闭环回路。逆变电源双闭环系统有很多优点，比如节约能源、减少成本、提高工作质量等。

【关键词】电力电子；逆变电源；双闭环回路控制

一、逆变电源控制方法介绍

在现代的社会中，人们追寻在保证质量的同时追求速度，电能在各个行业中都起到了一定的影响，尤其是在石油化工生产中。为了最大化的利用电能，电子能源需要进行能量交换，这个过程是通过电力电子技术完成的。然后被广泛应用于各个行业，这样可以有效节约能源、减少成本、降低环境污染等。在1964年，有学者曾提出脉宽调制变频的思想，它主要是将电网恒压恒频交流电变为可变电流，原理是在PWM逆变器上加入电压源，这个电压源是由不可控整流器整流经电流滤波形成的，在回路中安装控制逆变器开关组件来控制通断，最后逆变器将直流电逆变成幅值频率可变的交流电。脉宽调制方式是决定开关组件通断时刻和顺序，改变脉宽可调节逆变器输出基波的幅值，改变可调节的频率。我们对电压瞬时值单环反馈控制、电流滞环控制、电压双环反馈控制三种逆变器控制方法作出了分析和探究。

1.电压瞬时值单环反馈控制主要是为了解决电压平均值反馈中存在的问题，换种方式就是采用电压平均值反馈系统，该系统的动态反应速度比较慢，负载适应性也比较差。在系统中采用了电压瞬时值反馈控制策略，这是为了实现输出电压的波形控制。采样变压器会减低逆变器输出的电压值，让系统的电压始终保持在平均值上下。输出电压和给定电压之间会存在或大或小的误差，产生的误差会经过PI电压调节器，输出信号与正弦信号通过相关的计算来调整信号的幅值，所得的结果被作为某些数据的基准，比如瞬时值反馈。另一路输出中，产生的误差信号与三角波载波进行比较，得到最终的SPWM，SPWM被当做控制性，用来驱动IG-BT开关。

2.电流滞环控制。电流反馈控制与电压反馈控制相比，电流反馈控制的方式较为新颖。电流控制方法是以电压控制策略为基础，解决一些电压控制策略不能完成的问题，比如电源系统输入输出电流的可控性。滞环电流控制方式有四个特点分别是系统对于瞬时值反馈的速度比较快，稳定性比较高，容易防止变压器偏磁现象，开关频率不固定。

3.电压电流双环反馈控制。电压外环采用瞬时值反饋，然后接收输出电压的瞬时误差，让系统做出调节信号。调节信号需要经过PI调节器，信号在经过调节后作为电流控制给定。电流的内环比较的产生误差信号是来源于电感电流瞬时值和电流给定值，然后误差信号与三角波载波进行比较，最后产生SPWM信号。因此，设置电压电流双环反馈控制的目的在于可以实现电流幅值的自动控制，在不同负载的情况下，系统对电流的给定值进行自我调节，这就是电流幅值可控。

中小功率单相并网逆变器中一般来说输出滤波器的电容比较小，所以可以考虑采用双环控制策略，这种控制策略比较简单。其中并网逆变器的直流电压外环采用的是pi调节器，通过稳定直流侧电压来实现逆变器输入和输出能量的平衡。电流内环的电流幅值参考值由外环调节器的输出指定外环调节器使直流电压，通过检测可以得出电网电压的相位角，经过一系列计算，可以得出瞬时输出电流的参考信号。电流内环采用的也是PI调节器，与外环相比采用的pi调节器较为简单，这种调节器可以实现电流的快速控制。因为有电网电压不平衡的情况，所以工作人员在实际工作中需要加入一个电网电压前馈补偿环节，这个环节可以抵消电网电压对并网电流产生的影响。根据补偿原理可以得出，加入电网电压前馈补偿环节，就是在控制方式上运用开环方式，然后补偿可测量的干扰信号，这个不会影响控制系统的特性和稳定性。而且前馈控制可以帮助反馈控制分担责任，减小反馈控制系统的增益，这样也这样可以提高系统的稳定性。加入电网电压前馈控制的目的是为了控制电网电压的扰动，具体的工作流程是电流环的输出与电网电压的前馈信号相结合，相结合的信号经过spwm调制后在驱动开关管输出，这个工作流程实现了单相逆变器的并网控制。

以上叙述的基于pi调节器的单相并网逆变器的双环控制虽然控制简单，但是存在一些问题，比如电流环不能实时跟踪电流、输出滤波的电容比较大、系统不稳定等。双环系控制中主要电压前馈来抑制电网电压的扰动，电网电流还可以采用比例谐振调节器，这样可以实现电网电流的无静差控制。内环调节器的输出经过spwm调制后驱动开关管，这样就可以实现单相逆变器的并网控制。

二、双闭环控制的仿真

1.电流环。电流环的设计是为了保证电流闭环有较好的稳定性，同时提高电流闭环对瞬时值的反应和抗击干扰性能。我们对系统的开环幅相频特性曲线做出分析，可以得知，没有经过校正的开环系统的相频特性小于90度。因此，它恒有大于90度的相位裕度，这时系统对于任何开环增益都是稳定的。在实际的工作中，我们为了保证电流闭环以后的系统不发生一系列的变化，比如阶次、相角滞后等。通常工作人员对于电流环的补偿器设计比较简单，电压外环与之相比更为复杂。内环只需要安装一个比例调节器，且比例调节器的构成也比较简单。通过调节电流环调节器系数比例得到不同系数下的幅相频特性曲线，对图片进行分析可以得知，调节系数对系统的带宽有一定的影响，换句话说就是调节系数的变化可以扩大系统的带宽。调节系数还可以对系统的抗干扰能力产生影响，因此，在选择适宜的调节比例系数时，要综合系统的宽带和抗干扰能力两种因素做出判断。

2.电压外环。电压外环的主要作用是调节输出电压并且跟踪参考波形。对系统的负相频特性曲线进行分析，我们可以得知，系统的开环增益不大，但输出的稳态误差很大。因此要增加补偿环节，在实际的工作过程中工作人员需要注意的是增加适当的环节，切记过量或少量。我们可以利用PI调节器来增加系统的稳态精度，主要的措施是对pi调节器进行串联。

3.电压电流双闭环控制。为了改善控制效果，工作人员可以将电流环调节器部分换成比例-积分控制器pi，增加一个积分环节可以增加输出波形的控制精度。系统的开环增益一旦上升就有利于改善系统的稳定性，减小稳态的误差。根据实验可以得出，pi综合控制器可以以增加开环增益，改善单个pi控制器的相角裕度，提高系统的稳定性，减小系统的振荡。

总结

逆变电源设计开发中，变压器的设计至观重要。变压器设计可以直接影响逆变电源的工作性能和效率，在设计变压器时可以依据好坏参数，选择的准确与否来判断。为了使系统达到最佳的工作状态，在调节系统中的各项参数时可以将电源看成一个系统也可以将逆变电源看成一个系统。重复控制方法的特点是重复的进行扰动，根据周期来修正输出电压，这样就可以得到更加准确的输出电压波形。在实际的实验中表明，一只逆变电压在负载变化严重当或者非线性负载条件下的输出电压发生变化，保持输出波形的质量方面，重复控制有很好的效果。DSP在逆变电源控制领域有着不可替代的作用，有着很大的优越性，双闭环控制系统的振荡次数明显减少，增加了稳定性，系统的快速性、相对稳定性和跟踪效果都得到了相应的提高。

参考文献：

[1]吕超.单相光伏逆变器双闭环控制及并网稳定性研究[D].新疆大学，2017.

[2]蔡启博.基于双闭环控制技术的三相逆变器设计与实现[D].浙江工业大学，2016.

[3]周泽龙.基于改进型MPPT的并网型光伏逆变器系统研究[D].湖南大学，2016.

（作者单位：武汉理工大学）