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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

2020年01月14日 16:36 次阅读

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PID、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PI的基础上加重复控制补偿,建立MATLAB 仿真,并在双DSP+FPGA 硬件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LC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L、三相滤波电容C 。

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

图1 LC 三相逆变器的主电路拓扑

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L 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iaL、ibL、icL。

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:

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

输出方程为:

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

dk-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:

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

将式(3)代入式(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:

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

从上面的控制对象的传递函数表达式可知,α轴和β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:①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。②三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PI控制器的设计

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:

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

(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电子器件的开关频率低。三相逆变器的电感L=0.19mH,代入(8)式得到开环的幅频特性函数:

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

2.2 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:

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

3 基于重复控制补偿的高精度PID控制

3.1 重复控制原理

重复控制是日本的lnoue 于1981 年首先提出来的,其原理来源于内模原理,加到被控对象的输入信号除偏差信号外,还叠加了一个“过去的控制偏差”,该偏差时上一周期该时刻的控制偏差。把上一次运行时的偏差反映到现在,和“现在的偏差”一起加到被控对象进行控制,这种控制方式,偏差重复被使用,称为重复控制。经过几个周期的重复控制之后可以大大提高系统的跟踪精度,改善系统品质。

重复控制中,一般期望重复控制作用在高频段的增益减小。为此,在重复控制中经常加入低通滤波器Q(s)。本控制方法取:

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

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

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Simulink仿真中重复控制用的是Transport Delay模块,比例系数K取10,低通滤波器截至频率取1500Hz 即

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

如图6,加上重复控制后从第3个周期开始输出信号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。

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

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Tl公司的TMS320F2812 芯片。FPGA 即现场可编程逻辑门阵列,采用XlLlNX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,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、DSPB。

FPGA主要有四方面功能:一是控制AD 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,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。5.1 THD 实验结果

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

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

如图9 为双闭环PI控制算法带钠灯的电压电流波形,图10 为双闭环PI 控制算法的电压THD。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PI 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PI基础上加上重复控制的电压THD。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1.30%,而且负载电流畸变比较小。

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

5.2 钠灯实验结果

采用双闭环PI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。

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