发表于：2011/9/19 14:23:58
#0楼
摘 要:提出了一种新的适应“模块化”要求的高性能逆变电源控制方案,该方案是一种带有输出电压相位控制及负载电流前馈控制的多环反馈控制方案,能对输出正弦波电压的相位、有效值、频率、波形进行精确控制,使系统具有良好的稳态、动态特性以及快速可靠的截流保护功能。该控制方案的有效性已经在单相2kVA逆变电源实验样机上得到证实。
关键词:模块化;相位控制;前馈控制;逆变电源
A Novel Control Strategy for Modular Inverter Power Supplies
Lu Jialin, Bai Xiaoqing and Shi Tao
(Xi’an Action Electronics Co. Ltd., Xi’an 710119)
Abstract:This paper presents a novel control scheme suitable for high-performance modular inverter power supplies. The proposed control scheme is a kind of multiple feedback loop control strategy with phase control of output voltage and feedforward control of load current. Thanks to this scheme, the phase, root-mean-square value, frequency, and waveform of the output sinewave voltage can be controlled precisely and the system has excellent steady-state performance, fast dynamic response performance, fast and reliable current cut-off protection function. The validity of the proposed control scheme has been verified on a single-phase 2kVA experimental prototype.
Keywords:Modularity;Phase control;Feedforward control;Inverter power supplly
模块化是当前逆变电源的发展趋势之一。逆变电源的模块化是指将单相逆变电源作为基本单元模块,它既可以独立工作,又可以通过外部的简单连接,组合成满足用户要求的电源系统。单相逆变电源模块应具有以下功能:①并联运行;②串联运行;③组成有任意相位差的多相电源系统。为了实现上述功能,单相逆变电源模块必须具备以下特点:①稳态能对输出正弦波电压的相位、有效值、频率、波形进行精确控制,稳压性能好,输出电压波形质量高,负载适应性强;②快速的动态响应特性;③可靠的过流保护功能。
单相逆变电源的控制方案有多种,比如谐波补偿控制、无差拍控制、重复控制、瞬时值反馈控制等。沈阳逆变器和其他控制方法相比,瞬时值反馈控制具有控制思想简单明了、控制结构简单、容易实现、鲁棒性强、控制效果好等独特的优点,是近年来逆变电源控制方法研究的热点之一。 现有的瞬时值反馈控制方法有三种[1]:单一的电压瞬时值控制,带滤波电感电流内环的电压瞬时值反馈控制,带滤波电容电流内环的电压瞬时值反馈控制。单一的电压瞬时值反馈控制虽然结构简单,但空载时系统的稳定性差。带滤波电感电流内环的电压瞬时值反馈控制方法使得系统的稳定性大大提高[2],并且由于存在滤波电感电流内环,使系统具有自动截流保护的功能,但负载变化时系统的动态响应特性较差。带滤波电容电流内环的电压瞬时值反馈控制方法使系统的稳定性、动态响应特性、稳态特性、对非线性负载的适应性等的功能都大大提高,但系统没有自动截流保护功能。现有的瞬时值反馈控制方法虽然对输出电压的相位有一定的控制作用,但都无 法实现对输出电压相位的精确控制。综上所述,现有的瞬时值反馈控制方法都无法满足“模块化”对单相逆变电源的要求。
本文提出了一种适应“模块化”要求的高性能逆变电源控制方案,该方案是一种带有输出电压相位控制及负载电流前馈控制的多环反馈控制方案,该控制方案已经在单相2kVA逆变电源实验样机上实现。
1 逆变电源的动态模型
图1(a)所示为逆变电源系统结构图。当逆变器的开关频率远大于信号波的基波频率,并且在不出现过调制的情况下,对于基波及低次谐波而言,PWM逆变器可以看作是比例环节,其增益为A=Ed/Ut,其中Ed为直流侧电源电压,Ut为三角波的峰值。在LC滤波器中各电量间的关系可表示为
uAB-uo=sL·iL
iL-io=iC
uo=
根据以上分析可以得出逆变电源的动态模型如图1(b)所示,其中Δu是扰动输入,它表示系统中的非理想因素的影响,这些因素包括:死区时间效应、电源电压波动等。
图1 逆变电源系统结构图及系统的动态模型图
2 新型逆变电源控制方案
图2所示为一种新型的逆变电源控制方案。沈阳山特UPS方案是一种带有输出电压相位控制及负载电流前馈控制的多环反馈控制方案,多环反馈控制结构包括相位环、电压有效值环、电压波形环以及带负载电流前馈的滤波电感电流控制内环,用来对输出正弦波电压的相位、有效值、频率、波形进行精确控制。
(1)相位环
相位环是外环,它主要包括鉴相器、环路滤波器、压控振荡器VCO、正弦波发生器等环节。它通过改变电压瞬时值给定的频率来调节输出电压的相位,对输出电压的相位及频率进行精确控制。
(2)电压有效值环
电压有效值环是外环,它通过改变电压瞬时值给定的幅值对输出电压的有效值进行精确控制。电压有效值调节器采用PI调节器可以确保在系统参数变化时输出电压的有效值是稳态无差的。
(3)电压波形环
电压波形环位于电压有效值环之内,用来对输出电压的波形进行实时控制,当电压波形环调节器的增益ku足够大时,可以确保输出电压波形跟踪正弦波参考电压,同时对滤波电容的参数变化能起到及时的补偿作用。
(4)带负载电流前馈的滤波电感电流控制内环
滤波电感电流控制环是内环,当电流调节器的增益ki足够大时,可以确保滤波电感电流iL实时快速地跟踪电感电流指令i*L,同时对诸如死区时间效应、电源电压波动等包含在环内的扰动能起到及时的调节作用。限幅环节的存在使电感电流被限制在限幅值所对应的电流之内,由于流过逆变器开关器件的电流峰值和电感电流的峰值是相等的,因此,滤波电感电流内环使系统具有自动的截流保护功能。
图2 逆变电源控制方案
负载电流前馈的引入,使得滤波电感电流指令i*L中包含负载电流的信息,当负载突变时,滤波电感电流指令i*L会出现相应的突变,快速的滤波电感电流控制内环使滤波电感电流iL出现相应的突变,由于滤波电容电流iC等于滤波电感电流iL减去负载电流io,所以滤波电容电流iC基本上不受负载突变的影响。因此,负载电流前馈的引入使系统对负载的变化有及时的调节能力,使系统的动态响应特性、抗扰性以及对非线性负载的适应性大大提高。
3 实验结果
本文提出的逆变电源控制方案已经在单相2kVA逆变电源实验样机上实现。样机为市电输入,输出电压有效值为150V,输出频率为25Hz,开关频率f=12.8kHz,滤波器参数为:L=0.5mH, C=100μF。
图3(a)所示为突加2kW阻性负载时的输出波形,图3(b)所示为突加2kVA整流负载(峰值系数为3:1)时的输出波形。可见系统的动态特性很好。
A:输出电压,100V/div;B:负载电流,24A/div;时间:20ms/div
图4所示为不同负载情况下的稳态输出波形。额定阻性负载时,输出电压的THD为0.224%;额定整流负载时,输出电压的THD为0.425%。可见逆变电源的负载适应性很好。
图4 稳态输出特性 A:输出电压,100V/div;B:负载电流,24A/div;时间:10ms/div
图5所示为负载突然短路时的输出波形,可见样机具有快速的截流保护功能。
样机的其它输出指标为:
相位控制精度:±0.2°
稳压精度:±0.2%
频率稳定度:±0.03%
图5 截流保护特性
A:输出电压,100V/div;
B:负载电流,24A/div;时间:20ms/div
实验测试所用的仪器为:Tektronix公司的数字示波器TDS3012B,Voltech公司的功率分析仪PM100,Agilent公司的数字多用表34401A。
4 结 论
本文提出了一种新的适应“模块化”要求的高性能逆变电源控制方案，该方案是一种带有输出电压相位控制及负载电流前馈控制的多环反馈控制方案，多环反馈控制结构包括相位环、电压有效值环、电压波形环以及带负载电流前馈的滤波电感电流控制内环,能对输出正弦波电压的相位、有效值、频率、波形进行精确控制,使系统具有良好的稳态、动态特性以及快速可靠的截流保护功能。
文章来源：http://www.sy-ups.com
关键词:模块化;相位控制;前馈控制;逆变电源
A Novel Control Strategy for Modular Inverter Power Supplies
Lu Jialin, Bai Xiaoqing and Shi Tao
(Xi’an Action Electronics Co. Ltd., Xi’an 710119)
Abstract:This paper presents a novel control scheme suitable for high-performance modular inverter power supplies. The proposed control scheme is a kind of multiple feedback loop control strategy with phase control of output voltage and feedforward control of load current. Thanks to this scheme, the phase, root-mean-square value, frequency, and waveform of the output sinewave voltage can be controlled precisely and the system has excellent steady-state performance, fast dynamic response performance, fast and reliable current cut-off protection function. The validity of the proposed control scheme has been verified on a single-phase 2kVA experimental prototype.
Keywords:Modularity;Phase control;Feedforward control;Inverter power supplly
模块化是当前逆变电源的发展趋势之一。逆变电源的模块化是指将单相逆变电源作为基本单元模块,它既可以独立工作,又可以通过外部的简单连接,组合成满足用户要求的电源系统。单相逆变电源模块应具有以下功能:①并联运行;②串联运行;③组成有任意相位差的多相电源系统。为了实现上述功能,单相逆变电源模块必须具备以下特点:①稳态能对输出正弦波电压的相位、有效值、频率、波形进行精确控制,稳压性能好,输出电压波形质量高,负载适应性强;②快速的动态响应特性;③可靠的过流保护功能。
单相逆变电源的控制方案有多种,比如谐波补偿控制、无差拍控制、重复控制、瞬时值反馈控制等。沈阳逆变器和其他控制方法相比,瞬时值反馈控制具有控制思想简单明了、控制结构简单、容易实现、鲁棒性强、控制效果好等独特的优点,是近年来逆变电源控制方法研究的热点之一。 现有的瞬时值反馈控制方法有三种[1]:单一的电压瞬时值控制,带滤波电感电流内环的电压瞬时值反馈控制,带滤波电容电流内环的电压瞬时值反馈控制。单一的电压瞬时值反馈控制虽然结构简单,但空载时系统的稳定性差。带滤波电感电流内环的电压瞬时值反馈控制方法使得系统的稳定性大大提高[2],并且由于存在滤波电感电流内环,使系统具有自动截流保护的功能,但负载变化时系统的动态响应特性较差。带滤波电容电流内环的电压瞬时值反馈控制方法使系统的稳定性、动态响应特性、稳态特性、对非线性负载的适应性等的功能都大大提高,但系统没有自动截流保护功能。现有的瞬时值反馈控制方法虽然对输出电压的相位有一定的控制作用,但都无 法实现对输出电压相位的精确控制。综上所述,现有的瞬时值反馈控制方法都无法满足“模块化”对单相逆变电源的要求。
本文提出了一种适应“模块化”要求的高性能逆变电源控制方案,该方案是一种带有输出电压相位控制及负载电流前馈控制的多环反馈控制方案,该控制方案已经在单相2kVA逆变电源实验样机上实现。
1 逆变电源的动态模型
图1(a)所示为逆变电源系统结构图。当逆变器的开关频率远大于信号波的基波频率,并且在不出现过调制的情况下,对于基波及低次谐波而言,PWM逆变器可以看作是比例环节,其增益为A=Ed/Ut,其中Ed为直流侧电源电压,Ut为三角波的峰值。在LC滤波器中各电量间的关系可表示为
uAB-uo=sL·iL
iL-io=iC
uo=
根据以上分析可以得出逆变电源的动态模型如图1(b)所示,其中Δu是扰动输入,它表示系统中的非理想因素的影响,这些因素包括:死区时间效应、电源电压波动等。
图1 逆变电源系统结构图及系统的动态模型图
2 新型逆变电源控制方案
图2所示为一种新型的逆变电源控制方案。沈阳山特UPS方案是一种带有输出电压相位控制及负载电流前馈控制的多环反馈控制方案,多环反馈控制结构包括相位环、电压有效值环、电压波形环以及带负载电流前馈的滤波电感电流控制内环,用来对输出正弦波电压的相位、有效值、频率、波形进行精确控制。
(1)相位环
相位环是外环,它主要包括鉴相器、环路滤波器、压控振荡器VCO、正弦波发生器等环节。它通过改变电压瞬时值给定的频率来调节输出电压的相位,对输出电压的相位及频率进行精确控制。
(2)电压有效值环
电压有效值环是外环,它通过改变电压瞬时值给定的幅值对输出电压的有效值进行精确控制。电压有效值调节器采用PI调节器可以确保在系统参数变化时输出电压的有效值是稳态无差的。
(3)电压波形环
电压波形环位于电压有效值环之内,用来对输出电压的波形进行实时控制,当电压波形环调节器的增益ku足够大时,可以确保输出电压波形跟踪正弦波参考电压,同时对滤波电容的参数变化能起到及时的补偿作用。
(4)带负载电流前馈的滤波电感电流控制内环
滤波电感电流控制环是内环,当电流调节器的增益ki足够大时,可以确保滤波电感电流iL实时快速地跟踪电感电流指令i*L,同时对诸如死区时间效应、电源电压波动等包含在环内的扰动能起到及时的调节作用。限幅环节的存在使电感电流被限制在限幅值所对应的电流之内,由于流过逆变器开关器件的电流峰值和电感电流的峰值是相等的,因此,滤波电感电流内环使系统具有自动的截流保护功能。
图2 逆变电源控制方案
负载电流前馈的引入,使得滤波电感电流指令i*L中包含负载电流的信息,当负载突变时,滤波电感电流指令i*L会出现相应的突变,快速的滤波电感电流控制内环使滤波电感电流iL出现相应的突变,由于滤波电容电流iC等于滤波电感电流iL减去负载电流io,所以滤波电容电流iC基本上不受负载突变的影响。因此,负载电流前馈的引入使系统对负载的变化有及时的调节能力,使系统的动态响应特性、抗扰性以及对非线性负载的适应性大大提高。
3 实验结果
本文提出的逆变电源控制方案已经在单相2kVA逆变电源实验样机上实现。样机为市电输入,输出电压有效值为150V,输出频率为25Hz,开关频率f=12.8kHz,滤波器参数为:L=0.5mH, C=100μF。
图3(a)所示为突加2kW阻性负载时的输出波形,图3(b)所示为突加2kVA整流负载(峰值系数为3:1)时的输出波形。可见系统的动态特性很好。
A:输出电压,100V/div;B:负载电流,24A/div;时间:20ms/div
图4所示为不同负载情况下的稳态输出波形。额定阻性负载时,输出电压的THD为0.224%;额定整流负载时,输出电压的THD为0.425%。可见逆变电源的负载适应性很好。
图4 稳态输出特性 A:输出电压,100V/div;B:负载电流,24A/div;时间:10ms/div
图5所示为负载突然短路时的输出波形,可见样机具有快速的截流保护功能。
样机的其它输出指标为:
相位控制精度:±0.2°
稳压精度:±0.2%
频率稳定度:±0.03%
图5 截流保护特性
A:输出电压,100V/div;
B:负载电流,24A/div;时间:20ms/div
实验测试所用的仪器为:Tektronix公司的数字示波器TDS3012B,Voltech公司的功率分析仪PM100,Agilent公司的数字多用表34401A。
4 结 论
本文提出了一种新的适应“模块化”要求的高性能逆变电源控制方案，该方案是一种带有输出电压相位控制及负载电流前馈控制的多环反馈控制方案，多环反馈控制结构包括相位环、电压有效值环、电压波形环以及带负载电流前馈的滤波电感电流控制内环,能对输出正弦波电压的相位、有效值、频率、波形进行精确控制,使系统具有良好的稳态、动态特性以及快速可靠的截流保护功能。
文章来源：http://www.sy-ups.com
