一種基于SPWM控制的逆變器設(shè)計(jì)與仿真

楊靜偉，盧 剛，李聲晉，張玉峰，周 勇

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0引 言

近年來(lái)，隨著生產(chǎn)生活中對(duì)電源質(zhì)量要求的不斷提升，逆變器的使用越來(lái)越廣泛。通常把直流電變成交流電的過(guò)程叫做逆變，完成逆變功能的電路稱為逆變電路。逆變技術(shù)的應(yīng)用大大提高了電能的使用效率以及電源的質(zhì)量，因此對(duì)于節(jié)約能源等方面有著重要的意義。傳統(tǒng)的逆變器系統(tǒng)常采用三相三線制，但是這種逆變器只能給平衡負(fù)載供電，在帶不平衡負(fù)載逆變器中越來(lái)越多地采用了三相四線制，其主要區(qū)別在于三相四線制系統(tǒng)通過(guò)不同的方式做出了零點(diǎn)O，作為第四條線。根據(jù)引入中點(diǎn)的形式不同，可以分成分裂電容式和三相四橋臂兩種如圖1所示。

在分裂電容式逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，有兩個(gè)分裂電容作為引出中點(diǎn)的主要器件，即直流母線上的兩個(gè)分裂電容的中點(diǎn)與三相四線制的中線連接，通過(guò)分裂電容來(lái)調(diào)節(jié)中線上的電流，這樣輸出端的電流就勢(shì)必要流過(guò)直流部分的電容。雖然這種拓?fù)錂C(jī)構(gòu)相對(duì)其他四橋臂拓?fù)錂C(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于中線部分的電流要通過(guò)直流電容，所以直流側(cè)的電容的選擇成為這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的瓶頸，同時(shí)，由于交流電中帶有較大的諧波，也對(duì)分裂電容提出了更高的要求。

圖1 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相四橋臂的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是在逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中再增加一對(duì)開(kāi)關(guān)管，通過(guò)這對(duì)開(kāi)關(guān)管增加一對(duì)橋臂，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拋開(kāi)了分裂電容式對(duì)電容的高要求，不再受分裂電容的制約，但是通常是通過(guò)空間矢量調(diào)制方案進(jìn)行控制，這樣大大加重了逆變器控制方案的復(fù)雜程度。無(wú)論是分裂電容式三橋臂還是四橋臂式的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都是通過(guò)引出中線來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載端不平衡的電流。

針對(duì)上述情況，本文主要在三橋臂的基礎(chǔ)上，增加Boost升壓電路，作為第四橋臂，引用上述四橋臂的中線回路方法，既克服了四橋臂控制復(fù)雜度的問(wèn)題，又改進(jìn)了三橋臂控制。

1建立系統(tǒng)仿真模型

為了驗(yàn)證雙閉環(huán)控制四橋臂逆變器對(duì)不平衡負(fù)載的控制，運(yùn)用MATLAB對(duì)四橋臂逆變器電路，進(jìn)行仿真。

1．1 Boost電路

Boost變換電路，也稱升壓式變換電路，是一種輸出電壓高于輸入電壓的直流變換電路。其中開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓為PWM信號(hào)，因此本系統(tǒng)采用這種Boost PWM DC/DC變換器組成的逆變器，將會(huì)較簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)升壓逆變。Buck-Boost基本電路通常用于DC/DC變換，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)占空比，可以控制輸出電壓高于或者低于其輸入電壓，這里先對(duì)Buck-Boost基本電路的工作原理進(jìn)行分析。

Buck-Boost基本電路如圖2所示。

圖2 Buck-Boost基本電路

其具體工作情況如下:當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1開(kāi)通，此時(shí)二極管VD1是反向偏置截止的，則電感L1中的電流iL1上升，直流輸入側(cè)電源Ud向電感注入能量;當(dāng)VT1關(guān)斷，則由于電感L1的自感電動(dòng)勢(shì)作用，電感中的能量為負(fù)載供能并且向電容C1中轉(zhuǎn)移，電感電流iL1下降。在一個(gè)周期內(nèi)，電感兩端電壓UL1在VT1開(kāi)通時(shí)為 -Ud，而在 VT1關(guān)斷時(shí)，UL1=Uo1，顯然在一個(gè)周期內(nèi)，UL1=0，則輸入輸出電壓和VT1開(kāi)關(guān)占空比時(shí)間的關(guān)系如下:

式中:Uo1為電路的輸出電壓的平均值;Ud為電路的輸入電壓;D為控制占空比。

對(duì)于本系統(tǒng)仿真的逆變器要求，采用Boost的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管作為第四橋臂，如圖3所示。本系統(tǒng)為了解決電流反向流通，在IGBT開(kāi)關(guān)管上并聯(lián)有反向的二極管，這樣功率可以雙向流動(dòng)而不會(huì)造成電流反向流動(dòng)的現(xiàn)象。其仿真模塊如圖3所示。

圖3 Boost升壓電路仿真模塊

1．2 SPWM調(diào)制信號(hào)的仿真

用參考正弦波Us與頻率為fc的三角載波Uc進(jìn)行比較，得到兩路控制信號(hào)，如圖4所示。信號(hào)vge1和信號(hào)vge2用以驅(qū)動(dòng)同一橋臂的開(kāi)關(guān)管。正弦波大于三角波的部分，輸出為正脈沖，小于部分，輸出負(fù)脈沖。在開(kāi)關(guān)切換時(shí)，負(fù)載端電壓極性非正即負(fù)，電流變化率較大，對(duì)外部干擾較強(qiáng)。負(fù)載端電壓脈沖列是由不同寬度調(diào)制的正負(fù)直流電壓組成。

圖4 SPWM產(chǎn)生原理

用MATLAB軟件對(duì)SPWM調(diào)制信號(hào)的仿真，主要由正弦波產(chǎn)生模塊和三角波產(chǎn)生模塊如圖5、圖6所示。正弦波產(chǎn)生模塊產(chǎn)生三路正弦波，相位相差120°，再根據(jù)上述SPWM產(chǎn)生原理對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，得到頻率為15 kHz的SPWM。

1．3三相四橋臂逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真

圖7 三相四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真圖

本文的逆變器采用分裂電容三相四線制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率器件較少等特點(diǎn)。利用電源輸入端的兩個(gè)串聯(lián)電容的中點(diǎn)，作為三相輸出的共地端，可構(gòu)成三相四線制的輸出，如圖7所示。這時(shí)，為了防止中點(diǎn)電位的偏移，一方面增大串聯(lián)電容的電容值，同時(shí)解決當(dāng)功率較大時(shí)或者缺相情況下，電容存在偏壓的問(wèn)題，本文所設(shè)計(jì)逆變器采用較大容量的電容作為分裂電容。

1．3雙閉環(huán)控制四橋臂逆變器系統(tǒng)模型

對(duì)以上各模塊進(jìn)行整合與聯(lián)立，利用MATLAB軟件對(duì)三相逆變器進(jìn)行系統(tǒng)仿真，其整體結(jié)構(gòu)圖如圖8所示?；窘Y(jié)構(gòu)主要分為SPWM產(chǎn)生模塊、Boost控制模塊、Boost及逆變器拓?fù)淠K、濾波及負(fù)載模塊。

圖8 MATLAB仿真整體結(jié)構(gòu)圖

2閉環(huán)PID控制

逆變器運(yùn)行工況比較復(fù)雜，具有非線性、時(shí)變性和不確定性等特點(diǎn)。其工作工況主要受負(fù)載的影響，為了保證電壓不被負(fù)載拉低，采用PID閉環(huán)控制策略，適時(shí)調(diào)整占空比。其工作原理如圖9所示。

圖9 雙閉環(huán)控制策略圖

目前，PID控制在控制系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛，本系統(tǒng)中PID閉環(huán)控制主要是對(duì)積分系數(shù)TI、微分系數(shù)TD、比例系數(shù)Kp的選擇，這些系數(shù)選擇主要是由系統(tǒng)自身特性和要求來(lái)決定，特別是考慮考系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速響應(yīng)性以及靜態(tài)誤差等因素。

假設(shè)系統(tǒng)的指令值為c(t)，實(shí)際輸出值為y(t)。則偏差值為e(t)=c(t)-y(t)。

逆變系統(tǒng)PID閉環(huán)控制輸出特性可以總結(jié):

根據(jù)kp、ki、kd對(duì)系統(tǒng)調(diào)速控制器輸出特性的影響，分別建立校正原則。

(1)kp的校正原則

增大比例系數(shù)kp能減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高調(diào)節(jié)精度，提高響應(yīng)速度。但kp過(guò)大，會(huì)使調(diào)節(jié)過(guò)程產(chǎn)生較大超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定;kp過(guò)小會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，減慢響應(yīng)速度，延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間。

(2)ki的校正原則

積分調(diào)節(jié)主要用于消除控制靜差。但是由于系統(tǒng)的非線性因素，使得調(diào)節(jié)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生積分飽和(過(guò)積分)，引起較大超調(diào)。

(3)kd的校正原則

微分調(diào)節(jié)能針對(duì)系統(tǒng)的變化趨勢(shì)提前給出控制信號(hào)。kd值過(guò)大，調(diào)節(jié)過(guò)程會(huì)超前，使調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng);kd值過(guò)小，調(diào)節(jié)過(guò)程會(huì)滯后，導(dǎo)致超調(diào)值增大。

3仿真結(jié)果

SPWM仿真波形如圖10所示。

圖10 單周期SPWM仿真圖

Boost升壓控制PID仿真波形如圖11所示。

圖11 Boost升壓控制PID仿真波形

平衡負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流波形圖如圖12所示。

圖12 平衡負(fù)載工況下三相的電流波形

不平衡負(fù)載下，負(fù)載電流波形圖如圖13所示。

圖13 不平衡負(fù)載工況下三相的電流波形

三相負(fù)載大小及對(duì)應(yīng)的三相電流值如表1所示。

表1 三相負(fù)載及對(duì)應(yīng)電流值

PID控制下指令和反饋的跟隨性波形如圖14所示，圖中可以看出指令和反饋的值跟隨性較好。

圖14 PID控制指令與反饋跟隨

4結(jié) 論

本文建立了基于SPWM的三相四橋臂逆變器慣性系統(tǒng)的仿真模型，并通過(guò)雙閉環(huán)控制策略可以得出以下結(jié)論:

(1)采用的三相四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠較好的處理三相不平衡負(fù)載的工況。

(2)通過(guò)Boost升壓電路能夠較好的提升逆變器母線電壓，提高逆變器的電壓驅(qū)動(dòng)能力。

(3)通過(guò)雙閉環(huán)控制策略，能夠根據(jù)工況對(duì)輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，得到穩(wěn)定的輸出電壓，指令和反饋具有較好的跟隨性。

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