逆变器带非线性负载时的输出电压控制技术.pdf

1、收 稿 日 期: 1999-O8-2O.作 者 简 介:熊 蕊(1956-D 女副 教 授;武 汉华 中 理 工 大 学 电 力 工 程 系(43OO74D .基 金 项 目:国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目(59777O25D .逆 变 器 带 非 线 性 负 载 时 的 输 出 电 压 控 制 技 术%熊 蕊 何 定 桥(华 中 理 工 大 学 电 力 工 程 系D摘 要:分 析 了 逆 变 器 带 非 线 性 负 载 时 波 形 畸 变 的 原 因 和 影 响将 波 形 畸 变 分 成 瞬 态 畸 变 和 稳 态 畸 变并 针 对不 同 畸 变 给 出 了 几 种 不 同

2、的 控 制 方 式即 根 据 非 线 性 负 载 投 入 瞬 间 的 冲 击 电 流 大 小采 用 自 适 应 调 节 输 出 电压 幅 值 的 限 流 方 法以 改 善 瞬 态 畸 变 程 度;采 用 瞬 时 值 波 形 反 馈无 差 拍 控 制 技 术 来 补 偿 稳 态 畸 变 波 形.给 出了 实 验 结 果研 究 结 果 对 改 善 逆 变 器 输 出 波 形 具 有 指 导 意 义.关 键 词:正 弦 波 逆 变 器;非 线 性 负 载;波 形 畸 变;控 制中 图 分 类 号: TM919文 献 标 识 码: A文 章 编 号: 1OOO-8616(2OOOD O1-OO41-O

3、3恒 频 恒 压SPWM逆 变 电 源 广 泛 地 应 用 于UPS系 统 和 车船 载 移 动 电 源 等 重 要 场 合.在 工频 独 立 电 力 系 统 中逆 变 器 的 负 载 可 能 具 有 各 种不 同 性 质(线 性 或 非 线 性D 当 某 一 负 载 投 入 运 行时可 能 引 起 逆 变 器 电 压 幅 值 瞬 间 急 剧 下 降 或 波形 畸 变对 其 他 正 在 运 行 的 部 分 负 载 设 备 造 成 影响如 继 电 器 或 计 算 机 控 制 系 统 因 供 电 电 压 突 变造 成 瞬 时 掉 电 复 位 而 失 控 或 丢 失 数 据.研 究 逆 变电 源 在

4、 不 同 负 载 时 的 电 压 特 性并 采 用 合 适 的 控制 技 术 加 以 改 善是 十 分 必 要 的.1电 压 波 形 畸 变 因 素 分 析SPWM逆 变 器 输 出 电 压 波 形 产 生 畸 变 的 主要 原 因 有: a. PWM调 制 方 式 和 死 区 效 应; b.输出 滤 波 器 参 数 变 化; c.负 载 性 质 变 化(尤 其 是 整流 桥 类 非 线 性 负 载D造 成 强 扰 动.在 逆 变 器 应 用 场 合造 成 波 形 畸 变 的 主 要 原因 为c 畸 变 分 为 瞬 态 畸 变 和 稳 态 畸 变 两 种.1. 1瞬 态 畸 变 分 析当 整

5、流 桥 类 非 线 性 负 载 突 然 投 入 电 网 运 行时特 别 是 在 逆 变 器 输 出 正 弦 电 压 的 峰 值 时 投 入其 冲 击 性 充 电 电 流 对 逆 变 器 而 言 相 当 于 瞬 间 过 载甚 至 短 路.为 了 不 损 坏 逆 变 器 开 关 管通 常 应 采 用必 要 的 瞬 时 限 流 措 施或 是 瞬 时 封 锁 开 关 元 件 驱动 脉 冲待 电 流 恢 复 正 常 再 开 放 脉 冲;或 是 根 据 冲击 电 流 的 大 小 瞬 时 降 低 输 出 电 压 幅 值待 电 流 恢复 正 常 再 恢 复 输 出 电 压 幅 值.但 这 些 方 法 都 可

6、能引 起 输 出 电 压 瞬 间 的 畸 变.设 冲 击 性 负 载 在 电 压 峰 值 时 投 入输 出 电 压瞬 间 降 为 零1/1O周 期 后 恢 复 正 常如 图1所 示.根 据 傅 里 叶 级 数 分 解其 基 波 为82. 6 % 即 此 时基 波 损 失 为17. 4 %.若 无 畸 变 时 输 出 电 压 为22O V 那 么 瞬 态 畸 变 时 基 波 仅 为182 V左 右.考虑 其 他 因 素(电 压 调 节 特 性 和 稳 态 畸 变D时基波 成 分 更 低就 可 能 使 某 些 负 载 出 现 瞬 时 掉 电 复位 故 障.图1冲 击 性 负 载 在 电 压 峰 值

7、 投 入 时的 波 形 示 意 图若 控 制 冲 击 性 负 载 在 电 压 峰 值 投 入 时 输 出 电压 瞬 间 降 为 峰 值 的1/3 仍 设1/1O周 期 后 恢 复 正常则 可 计 算 出 其 基 波 为88. 7 % 基 波 损 失 为11. 3 %.可 见 此 时 瞬 态 畸 变 造 成 相 关 负 载 设 备 瞬时 掉 电 复 位 的 可 能 性 减 小.因 此在 冲 击 性 负 载 投入 时采 用 合 适 的 抗 冲 击 限 流 控 制 手 段按 冲 击 性电 流 大 小 自 适 应 调 节 所 降 低 的 电 压 幅 值则 可 能使 瞬 时 畸 变 程 度 减 轻对 于

8、 保 障 供 电 品 质 具 有 重要 的 意 义.1. 2稳 态 畸 变 分 析图2为 一 台 单 相5O Z逆 变 器 突 加 整 流 性 负第28卷 第1期 华 中 理 工 大 学 学 报VOI. 28 NO. 12OOO年1月J.uaZhOng UniV. Of Sci. g Tech. Jan. 2OOO图Z突 加 整 流 性 负 载 时 的 实 测 波 形载 时 的 实 测 输 出 电 压 波 形.冲 击 性 负 载 投 入 瞬 间最 低 电 压 限 制 为 峰 值 电 压 的30 % 恢 复 时 间 小 于T/10(Z TS) 但 其 他 正 在 运 行 的 部 分 设 备 仍

9、出 现瞬 时 掉 电 复 位 的 故 障 现 象这 说 明 尽 管 波 形 瞬 时畸 变 不 大但 加 上 稳 态 畸 变 以 及 输 出 电 压 调 节 特性 精 度 有 限(波 形 畸 变 造 成 平 均 值 反 馈 量 偏 差 增大) 致 使 基 波 成 分 骤 减仍 可 引 起 掉 电 复 位 故 障.分 析 图3所 示 的 单 相 桥 式 逆 变 器 带 整 流 桥图3逆 变 器 带 整 流 性 负 载 时 的 等 值 电 路非 线 性 负 载 的 电 路整 流 桥 开 通 时 输 出 电 路 的 传递 函 数 为G1(S) = VOut(S)/ViH(S) = (Z0 - Z1S

10、-ZZSZ)/(c0 - c1S - cZSZ- c3S3- c4S4) 式 中 各 系 数 与 电 路 中 参 数L1 C1 11 LZ CZ和R有 关.G1(S)表 示 一 个4阶 稳 定 的 线 性 系 统设 输入 电 压ViH(t)为 纯 正 弦 信 号ViH(t)= SiHct 则 输出V/Out(t)= I G1(jc)I SiH(ct- G1(jc).显 然输出 仍 为 正 弦 波且 相 对 于 输 入 信 号 有 相 移G1(jc) 其 幅 值 变 为I G1(jc) I .实 际 逆 变 电 路中输 入 电 压ViH ( t)虽 是 由 控 制 方 式 决 定 的SPWM波其

11、 中 含 有 谐 波 分 量但 谐 波 分 量 大 都可 被LC滤 波 器 滤 掉所 以 输 出 仍 具 有 较 好 的 正弦 性.整 流 桥 关 断 时等 效 电 路 为 典 型 的Z阶 电 路其 传 递 函 数 为GZ(S) = VOut(S)/ViH(S) =1/(L1C1SZ- 11C1S - 1).同 理其 稳 态 输 出 仍 为 一 正 弦 波V“Out (t) =I GZ(jc)I SiH(ct)- GZ(jc).可 见 整 流 桥 周 期 性通断 时输 出 是 两 个 不 同 幅 值不 同 相 移 的 正 弦波对 输 入 信 号 具 有 不 同 的 响 应VOut(t) =I

12、G1(jc)I SiH(ct - G1(jc)整 流 桥 通;I GZ(jc)I SiH(ct - GZ(jc)整 流 桥 断L .通 过 傅 里 叶 级 数 分 析 可 知VOut(t)中 含 有 丰 富 的谐 波 分 量导 致 波 形 畸 变.因 此波 形 畸 变 的 原 因是 整 流 器 的 不 同 工 作 状 态 对 应 着 不 同 拓 扑 的 时 间响 应.2用 瞬 时 值 波 形 反 馈 改 善 波 形1瞬 时 值 波 形 反 馈 是 将 输 出 电 压 波 形(瞬 时值)信 息 反 馈 给 控 制 电 路SPWM形 成 环 节 的 标准 正 弦 波形 成 波 形 误 差 正 弦

13、波用 误 差 正 弦 波 形成SPWM调 制 波 去 驱 动 逆 变 桥 开 关 管 的 通 断.当输 出 电 压 波 形 畸 变 时波 形 误 差 正 弦 波 则 向 相 反方 向 畸 变调 制 成 非 标 准 的SPWM波 并 经 逆 变 桥放 大 后 使 原 波 形 畸 变 得 到 补 偿.设Gp(S)为 前 述 输 出 电 路 的 传 递 函 数Gp(S)= G1(S)(整 流 桥 通)或GZ(S)(整 流 桥 断).可 将 分段 线 性 的Gp(S)的 输 出 处 理 成 一 个 线 性 部 分 传 递函 数G/p(S)的 输 出 和 扰 动AV(S)叠 加 而 成;在 不过 调 制

14、 的 情 况 下将SPWM调 制 及 放 大 环 节 的 传递 函 数 近 似 等 效 为 一 个 线 性 增 益KPWM 因 此 可 以画 出 如 图4所 示 的 控 制 系 统 中 加 入 波 形 反 馈 的内 环 框 图图 中K1为 波 形 反 馈 系 数;V%g是 给 定 的标 准 正 弦 信 号VOut是 逆 变 器 输 出 交 流 正 弦 波 电压.图4波 形 反 馈 内 环 框 图由 图4可 知未 加 瞬 时 值 波 形 反 馈 时VOut(S)= KPWM V%g (S)G/p(S)-AV(S);加 瞬 时 值 波 形 反 馈后VOut(S) = KPWM V%g (S)G/p

15、(S) -AV(S)/(1-K1 KPWM G/p (S) 若 增 大 外 环 增 益 使 基 波 部 分KPWM V%g (S) G/p(S)保 持 不 变则 扰 动AV(S)降 低为 原 来 的1/(1-K1 KPWM G/p(S) 相 应 的 谐 波 成分 减 小.图5给 出 了 平 均 值 反 馈Z加 瞬 时 值 波 形 反 馈时 逆 变 器 带 整 流 桥 负 载 的 实 测 输 出 电 压 波 形.实验 条 件Ed= Z50 V L1 = 0. 6 T C1 = 600 MF 11= LZ = 0 CZ = 10 000 MF R= 10 开 关 频 率7. Z kZ.Z4华 中

16、理 工 大 学 学 报Z000年图5采 用 波 形 反 馈 时 的 实 验 波 形比 较 图2和 图5可 见波 形 反 馈 能 有 效 地 改善 波 形 的 稳 态 畸 变 程 度.理 论 上当K1 KPWM足 够大 时扰 动 电 压AV(SD /(1+K1 KPWM G/p(SD D -0 输 出 电 压 即 为 纯 正 弦 波.但 实 际 系 统 中由 于1+K1 KPWM增 大 导 致 外 环 补 偿 原 基 波 部 分 的 衰 减 所需 增 益 也 要 相 应 提 高由 稳 定 性 理 论 可 知增 益 大于 某 一 临 界 值 时 系 统 便 不 稳 定因 此在 保 证 稳 定性 的

17、 前 提 下 波 形 反 馈 的 改 善 作 用 是 有 限 的.3无 差 拍 控 制 技 术无 差 拍 控 制 技 术 是 基 于 微 机 数 字 控 制 的PWM技 术3其 思 想 是 使 系 统 满 足:a.过 渡 过 程结 束 时 无 稳 态 误 差; b.过 渡 过 程 在 最 短 的 采 样 周期(最 少 拍D结 束.若 开 关 频 率 较 高不 论 负 载 如何 变 化过 渡 过 程 都 能 在 一 拍 内 结 束则 系 统 就 具有 良 好 的 稳 态 和 动 态 特 性.因 此 这 种 方 法 能 根 据含 滤 波 器 的PWM逆 变 系 统 的 状 态 方 程 和 输 出

18、反馈 信 号 推 算 出 下 一 个 采 样 周 期 的 开 关 时 间 或 脉 冲宽 度.由 于 整 流 桥 类 非 线 性 负 载 具 有 较 强 的 扰 动性为 了 能 准 确 地 预 估 出 其 扰 动 负 载 电 流以 便 能决 定 下 一 周 期 的 控 制 脉 宽无 差 拍 控 制 利 用 状 态观 测 器 对 扰 动 电 流 进 行 预 测4实 时 检 测 该 扰 动电 流并 预 估 出 其 下 一 周 期 的 扰 动 量采 用 合 适 的算 法 实 时 调 整 脉 宽补 偿 输 出 电 压 中 的 畸 变 量使每 一 周 期 结 束 时 的 输 出 电 压 和 给 定 的 标

19、 准 正 弦 波相 等.无 差 拍 控 制 技 术 可 起 到 和 波 形 反 馈 控 制 相同 的 波 形 校 正 的 效 果但 由 于 组 成 带 观 测 器 的 状态 反 馈 系 统 时极 点 可 任 意 配 置因 此 稳 定 性 可 得到 充 分 保 障.在 一 台50 Z 5 kW单 相 逆 变 器 上 采 用 高 速数 据 处 理 芯 片DSP-TMS320F240为 核 心 的 控 制电 路 实 现 了 上 述 干 扰 预 测 型 无 差 拍 控 制取 得 了满 意 的 效 果实 验 结 果 与 图5类 似.随 着DSP芯片 价 格 的 不 断 下 降 和 算 法 的 不 断 改

20、 进无 差 拍 控制 技 术 将 成 为 一 种 很 有 前 途 的 控 制 方 法.参 考 文 献1 Kawamura A oft R. Instantaneous Feedback Con-trolled PWM Inverter with Adaptive ysteresis.IEEE Trans. on Industry Applications 1984 ( 4D :769*7752熊 蕊王 国 锋.工 频SPWM逆 变 电 源 输 出 电 压 的 变结 构 控 制.华 中 理 工 大 学 学 报1999 27 (11D :31*333李 锡 雄陈 婉 儿.脉 宽 调 制 技 术.武

21、 汉:华 中 理 工 大 学出 版 社1996.4 Yokoyama T Kawamura A. Disturbance ObserverBased Fully Digital Controlled PWM Inverter forCVCF Operation. IEEE Trans. on Power Electron-ics 1994 (5D : 473*480The control Technigues for output voltage in theInverter With Nonlinear LoadXzong ruz He dznggzcoAbstract: The cause

22、s and influences of the waveform distortion of the waveform distortion of an in-verter with nonlinear load are analyZed. A new idea is proposed that the waveform distortion is dividedinto the instantaneous waveform distortion and the static one. According to different kinds of wave-form distortion s

23、ome different control methods are given. The eXperimental results are also given inthis paper. These research results are very useful in improving the output voltage waveform of the in-verter.Key Words: sine wave inverter; nonlinear load; waveform distortion; controlXiong Rui Assoc. Prof. ; Dept. of

24、 Electric Power Eng. ST Wuhan 430074 China.34第1期 熊 蕊 等:逆 变 器 带 非 线 性 负 载 时 的 输 出 电 压 控 制 技 术逆变器带非线性负载时的输出电压控制技术作者： 熊蕊， 何定桥， Xiong Rui， He Dingqiao作者单位： 华中理工大学电力工程系刊名： 华中理工大学学报英文刊名： JOURNAL OF HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)： 2000,28(1)被引用次数： 6次参考文献(4条)1.Yokoyama T;Kawamura A Dist

25、urbance Observer Based Fully Digital Controlled PWM Inverter forCVCF Operation外文期刊 1994(05)2.李锡雄;陈婉儿 脉宽调制技术 19963.熊蕊;王国锋 工频SPWM逆变电源输出电压的变结构控制 1999(11)4.Kawamura A;Hoft R Instantaneous Feedback Controlled PWM Inverter with Adaptive Hysteresis1984(04)引证文献(6条)1.陆晓元.林久令.张海明.王晋疆 一种激光测距系统用纳秒脉冲变压器的设计期刊论文-仪表技术 2008(3)2.赵世峰 离散变结构控制的研究及其在UPS控制中的应用学位论文硕士 20063.周建波 高性能小体积逆变器的研制学位论文硕士 20054.刘刚 80kVA电力专用UPS的逆变器设计学位论文硕士 20055.许爱国 电容电流反馈瞬时值控制逆变器数字控制技术研究学位论文硕士 20056.徐应年 SPWM逆变电源输出电压IMC-PID控制技术研究学位论文硕士 2005本文链接：http:/