采用双闭环PI和重复控制方案实现三相逆变器设计并进行仿真分析.docx

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1、采用双闭环PI和重复控制方案实现三相逆变器设计并进行仿真分析三相逆变器作为现在一种常用的电力电子设备,对输出电压控制系统需同时实现两个目标：高动态响应和高稳态波形精度。诸如旦D、双闭环PID、状态反馈等控制方案，虽然能实现高动态特性，但是不能满足高质量的稳态波形。本文利采用双闭环PI和重复控制相结合的控制方案，首先用双闭环PI控制算法，得到高动态特性的三相交流电，不过不能满足高质量的稳态波形，因为用电压质量要求比较高的非线性负载镇流器是电感式的钠灯作为三相逆变器的负载时，钠灯不能稳定的工作（会高频率地闪烁），针对这一问题，在双闭环P1的基础上加重复控制补偿，建立MAT1AB仿真,并在双DSP+

2、FPGA便性架构中高效精确的实现。实验结果表明，加上重复控制补偿后，钠灯能够稳定的工作，三相逆变器的稳态性能得到了很大的改善。1、三相逆变器数学模型的建立三相1C逆变器的主电路拓扑如图1,组成部分主要有三相逆变桥、三相滤波电感1、三相滤波电容CO定义三相逆变器负载侧输出电压为uoA、uoB、uoC,输出电流为ioA、ioB、ioC,三相逆变器电感1侧输入电压为uA、uB、uC,输出电压为uoA、UOB、uoC,流过电感的电流为ia1、ib1、ic10以电感电流和输出电压为状态变量，建立在三相静止坐标系中的状态空间表达式如下。状态方程为:11-I/-(J-U-UJdedede316161-%ua

3、c-udc631-U1/Udede一.W1/,b1K11C1.1C1=A4UUM616131RCUi-RCUi-R(CcfcCA?C(A?1.UoB%U316161-RCudCRcudc-Rcudc1Uf1C613161-RC%-RCUdCRCUdC616131OO1OOO3OO1OOO上1OO11RCR2_JRC11OO1OOO1R1RC11OOIO1POO入十R1OOU1输出方程为:(2)000100C=OOOO1OOOOOO1dk-调节器输出的调制信号。以上为三相逆变器的静止坐标系中的数学模型，下面讨论其解耦模型。引入如下三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换关系式:(3)将式(3)代入式

4、(1),即可得到在两相静止坐标系下控制对象的传递函数表达式如下：QS)=.(4)UdC(CRCS+1)aC1sQa几+凡)s，7从上面的控制对象的传递函数表达式可知，轴和轴已经完全解耦，各自等效为单相半桥逆变器。从上面的分析可以看到：在两相静止坐标系下，三相逆变器是完全解耦的，可等效为两个单相半桥逆变器。三相解耦后的模型与单相逆变器模型相同，所以三相逆变器的控制的分析与设计方法可以借鉴单相逆变器。2双闭环P1控制壁的设计2.1 电流环控制器的设计控制系统的内环的控制对象是滤波电感，特点是频带宽、响应速度快，比例调节P即可以满足要求。另外，为了抵消结构电压负反馈的影加上输出电压正反馈：4:81T

5、OO+Uou(5)在实践应用当中R和RC很小，对系统的影响可以忽略不计,可得电流环控制框图如图2所示:图2三相逆变器控制系统电流环得到电流环开环传递函数：(6)(7)G,(SJ-=5-K(S)1s电流环的闭环传递函数：c,、1(s)G/1G亡可诙T（1）电流环比例调节器的设计步骤1）看开环传递函数的波特图是否满足要求;2）看闭环传递函数的波特图是否满足要求。（2）设计电流环截止频率时，有2条执行准则1）从控制系统内外环分工考量，为了加快动态响应，电流环闭环截止频率要比外环的截止频率高且尽可能的高，并采用没有延时的比例调节;2）从控制系统的执行机构考量，电流内环闭环截止频率要比电力虹器件的开关频

6、率低。三相逆变器的电感1=O.19mH,代入（8）式得到开环的幅频特性函数：由上式可知OdB时有=G1,由电流环概止住频率=2400HZ,可得G=2.862.2 电压环控制器的设计三相逆变器的外环电路采用电压负反馈，为了抵消结构电流负反馈的影响，加上输出电流负反馈。可得：(9)1r=0为浊波器的时间常数3.2重复控制补偿的P1D控制居于重复控制补偿5的P1D控制系统框图如图5所示,其中Qs)为低通滤波器,urec为重复控制的输出I为PID控制的输出：s%+%(12)1=O.19mHC=60F1C滤波器的截止频率为1490Hz.设低通滤波器的截止频率为1500Hz.有Tq=0.066.控制对象：

7、Xs-=1G(13)1Cs0.0000000114s图5重复控制补偿的PID控制系统框图3.3重复控制补偿的PID控制仿真及其结果分析重复控制+双闭环PI在SiInUIink仿真中重复控制用的是TransportDe1ay模块，比例系数K取10,低通滤波器截至频率取150OHZ即重复控制+双闭环P1在Simu1ink仿真中重复控制用的是TransportDeIay模块.比例系数K取10,低通波波器截至频率取15Hz即QS_得到如图6输入输出波形以OoOO66s+1及图7跟踪误差波形图6重复控制+PID位置跟踪Ifd二-/网/WwKvVm心WkWWv图7跟踪误差如图6,加上重复控制后从第3个周期

8、开始输出信号yout跟能精确地跟踪输入信号rin,如图7,位置跟踪误差越来越小，在第4个周期误差不再减小。4双DSP+FPGA三相逆变器的硬件设计双DSP+FPGA控制系统功能如图8。Ia图8双DSP+FPGA控制系统功能图8为三相光伏逆变器的控制结构框图，逆变器的主控电路采用“双DSP+FPGA结构，DSP即数字信号处理器,采用TI公司的TMS320F2812在左。FPGA即现场可编程逻辑门阵列,采用XI1INX公司的芯片。本设计采用的DSP芯片是一款定点型DSP,具有强大的数据运算能力，主频最高达150MHz,广泛应用于控制领域。FPGA具有强大的逻辑运算能力，能并行快速进行多组逻辑判断，

9、根据DSP和FPGA的功能特点，作以下功能分配，两片DSP芯片分别为DSPA、DSPBoFPGA主要有四方面功能：一是控制也转换芯片，对外部CT/PT及调理电路后的电压电流信号进行模数转换并读取结果，同时把结果传送给DSPA和DSPB;二是作为DSPA和DSPB之间的数据交换通道;三是PwM信号输出；四是进行故障检测及IO输出。DSPA主要负责与人机界面通讯及数据管理。DSPA读取FPGA中的电压电流数据和故障状态等信息在人机界面中显示，以及传送人机界面中的命令。DSPB主要负责重复补偿控制+双闭环控制算法的实现，控制输出电压电流的稳定。5实验结果及其分析THD是检验逆变器性能的一个重要指标，

10、本文用THD和带电感式镇流器的钠灯能否正常工作来验证三相逆变器的性能。5.1THD实验结果如图9为双闭环P1控制算法带钠灯的电压电流波形，图10为双闭环P1控制算法的电压THI）。用双闭环PI控制带钠灯，电压的THD比较大，为3.57%,而且负载电流畸变比较严重。如图11为在双闭环P1基础上加上重复控制带钠灯的电压电流波形，如图12为在双闭环P1基础上加上重复控制的电压THI）。由图11、图12可得结论：利用双闭环PI控制+重复控制带钠灯，电压的THD比单纯用双闭环PI控制要小得多，为130%,而且负载电流畸变比较小。5.2钠灯实验结果采用双闭环P1控制算法实现的三相逆变器，带钠灯时会不停地闪，钠灯不能稳定工作，当加上重复控制后，钠灯不会闪烁，能够稳定地工作。责任gt