【分　 类】 机械与建筑工程
【关 键 词】 逆变器；双环控制；反馈解耦；仿真
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正文：
  (5)
扰动传递函数：
  (6)
（2）带输出电压解耦的电容电流反馈
从电路的角度来看，对LC滤波器而言，出现负载扰动时，电感电流不能突变，只能影响电容电流。因此，电容电流反馈可以直接反映出负载电流的变化。从扰动的作用点来看，采用电容电流反馈可以将负载扰动，包含在反馈环路的前向通道内，因此可以及时对扰动产生抑制。从反馈原理来看，反馈哪个量，就能增强那个量的稳定度，反馈电容电流能使其在负载汲取电流时仍有维持不变的趋势。这样，不需要扰动前馈补偿，电容电流反馈结构就可以得到比仅用电感电流反馈要好的动态性能。从逆变器的输出来看，只要精确保证电容电流为正弦，无论负载如何变化都可以得到良好的输出正弦电压。若取电感电流反馈(无负载电流前馈补偿)，那么负载扰动只能通过电压外环调节；而取电容电流反馈，负载扰动在内环就可以得到及时的抑制。由于没有检测电感电流i_L，电感等效电阻无法解耦，其动态输出特性在低频段会受到一定影响。
图5  电容电流反馈控制框图
指令传递函数：
 (7)
扰动传递函数：
 (8)
2.2 两种控制策略的比较
逆变器的输出是对指令响应和扰动响应的和，我们可以从指令传递函数和扰动传递函数两方面入手， 分析比较两种方案的性能。首先我们通过对指令传递函数和扰动传递函数的bode图仿真来比较两种方案的动态跟踪性能和扰动抑制能力，从而选择较好的控制方案。
在 bode图仿真时，系统参数取基波频率60HZ，滤波电感L=1.1mH,滤波电容C=20,滤波电感等效电阻r=0.6,开关频率20KHZ,选取K_V1=0.2，K_i1=22.    K_V2=0.2   K_i2=32.
 
图6  指令传函的对数幅频响应曲线
通过图6可以比较系统对指令的跟踪效果。可以看到两种方案低频段增益均为1，能够完全复现指令，开环逆变器的谐振峰均被消除，具有良好的指令动态跟踪性能。
既然逆变器输出是对指令响应和扰动响应的综合，那么只分析逆变器对指令的跟踪效果是不够的，还要考虑对扰动的抑制能力，扰动传函的对数幅频响应曲线就能表征这个能力。
 
图7 扰动传函的对数幅频响应曲线
通过图7我们可以看到，由于扰动主要位于低频段，所以通过这一段的波特图判断扰动抑制性能，低频增益越小，表明系统对扰动的衰减越厉害，即对扰动的抑制效果越好。如图所示，方案一对7次以下的谐波均有衰减作用，方案二对5次以下的谐波均有衰减作用，在60Hz处，方案一对基波扰动的抑制要好于方案二，这是因为方案二没有实现电感等效电阻解偶，基波在这个电阻上有压降，影响了输出波形。
通过以上对指令和扰动传递函数的分析可知，两种方案对指令的跟踪能力是很接近的，因此选择方案的主要依据是它们对扰动的抑制能力， 方案一通过前馈而方案二通过反馈对扰动进行补偿，考虑到反馈电感电流能够实现电感等效电阻解耦，故方案一在低频段的扰动抑制能力强于方案二，因此，我们选择方案一作为系统的控制结构。
3  系统仿真
3.1 系统仿真模型
    本文在MATLAB环境下的Simulink中建模和仿真的。该仿真模型主要分为两个部分：主电路和控制器，主电路如图8所示，控制器主要由电压电流反馈环节、负载电流补偿环节、SPWM发生环节和死去延迟环节组成。从主电路仿真模型我们可以看到：在检验突加、突减非线性负载时，我们用两个脉冲波、乘法器和理想开关组成矩形脉冲信号，周期为0.4 s,在0.2s时突加额定负载，在0.4 s时，突减额定负载。系统仿真参数取基波频率为60HZ，直流母线电压E=400V,滤波电感L=1.1mH,滤波电容C=20,滤波电感等效电阻r=0.6,开关频率为20KHZ, 输出电压幅值为220V, 输出额定功率因数=0.8。
 
图8  主电路仿真模型
3.2 仿真结果分析
在以下三种不同运行条件下进行仿真实验:
(1)在0-0.2s期间，逆变器空载运行；0.2s时突加负载运行。
(2)在0.2s-0.4s期间，逆变器在额定负载下运行。
(3)在0.4s时，逆变器突减负载运行。
以下是三种条件下，输出电压、负载电流的波形图和输出电压THD的波形图。
 
图9 突加非线性负载运行
 
图10  额定负载运行
 
图11 突减非线性负载运行
仿真结果表明：基于状态反馈解耦的双环控制系统能在不同的负载条件下，不但能获得高质量的输出电压波形，并且动态响应速度快。（1）系统动态响应快，在三种条件下运行，都可以在两个周期内（<0.4s）进入稳态。（2）输出电压质量高，谐波含量少，在突加突减负载时，总THD值不超过0.4%，进入稳态后，THD值不超过0.3%。(3)抗干扰能力强，对突加突减非线性负载所引起的波形失真具有很强的抑制能力，在两个周期内（<0.4s） ，就可校正波形失真。

4. 结论

本文建立的电压电流双环控制系统，采用负载电流解耦的内环电感电流反馈、状态反馈解耦控制结构，对单相SPWM逆变器进行建模与仿真。仿真结果表明，所采用的控制方案使逆变器具有输出电压质量高（总THD≤0.4%），动态响应速度快（不超过0.4 s），抗干扰能力强等优点，能够较好的达到高性能指标的要求，具有很高的工业使用价值。

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