逆变电源操纵策略

一、 逆变电源模型 1.1 固定负载模型

为简化模型，假定负载为阻性负载，忽略电容的寄生电阻与电感的电阻r，以电容电流

i和输出电压U为操纵变量，由此成立的逆变电源的等效模型为一个双输入单输出的系统，

那么逆变电源状态方程由下式求得：

CdUi dt （1-1）

UdiRULUnUir

dtR （1-2）

经变换取得状态方程的矩阵形式：

XAXBu

YCX （1-3）

其中：

0UX;Ar1iLRLuUn

0;B1r1/L;C10

RCL1/C

由上式可得传递函数模型，一样只关切逆变电源输出电压，因此只给出电压传递函数表

达式。逆变电源输出负载为R的滤波器S域传递函数模型为：

UGf(s)*Un

（1-4） （1-5）

2nR Gf(s)kL22LCRs2rRCLsRrs2nsn其中nRr/LCR，rRCL/2LCRn，kLR/Rr

当逆变电源空载时，及R时，有：

2n1 Gf0(s)222LCsrCs1s2nsn （1-6）

其中：n1/LC，r/2L/C

1.2 将负载处置为扰动输入模型

实际逆变电源负载不是唯一，总在一个额定范围内变更，为了维持在不同负载下模型的统一性，可将负载电流处置为扰动量。对逆变电源输出滤波器，取电容电压U与电容电流i作为状态变量，Un与io别离为输入量与扰动量，输出电压U为输出量，能够取得逆变电源输出滤波器线性双输入、单输出状态空间模型：

U01/CU01/CUi0 n0i1/Lr/Li1/L

Uy10

i （1-7）

上式表示成s域为：

UGf0(s)*UnG0(s)*i0

（1-8）

其中Gf0(s)同前，G0(s)Lsr相应得传递函数框图模型如图1-1所示： 2LCsCrs1

图1-1 逆变电源输出滤波器参数模型

二 多环反馈操纵的大体原理

在单电压环反馈操纵中，负载扰动的阻碍最终在系统的输出电压中表现出来后，操纵系

统才开始有所反映，因此这种方式抗击负载扰动的能力较弱。为了能在各类负载条件下使逆变电源输出高质量的电压波形，通过将电压和电流的瞬时值作为反馈量进行操纵，从而解决各类负载带来的扰动和抑制谐波，这将是比较合理的方案。本文所采纳的三环操纵方案确实

是利用电流内环的快速性、及时性来有效抑制负载扰动的阻碍。

2.1 开环操纵

在开环操纵情形下，将逆变桥增益Kb量化为1，那么逆变电源带阻性负载时的传递函

数为：

G(s)U(s)R 2Uc(s)LCRsLrRCsRr （2-1）

图2-1 开环操纵系统带不同负载时的波特图

图2-1给出了在R取不同值时的系统波特图，从图中能够看出，随着R取值的增加，系

统的谐振峰值也增加。关于逆变电源而言，随着负载电阻阻值的增加，LC滤波器对谐波的放大作用有增大的趋势，因此，在空载情形下，将显现最高的谐振峰值。

当R时，系统的空载传递函数为：

G0(s)U(s)1 Uc(s)LCs2rCs1 （2-2）

由于r的阻值很小，因此系统空载时传递函数是一个欠阻尼系统，其动态性能较差，整

个系统具有震荡性，图2-2为逆变电源空载时的波特图，能够看出系统的稳固裕度很小，因此必需对系统引入反馈操纵。

图2-2 开环操纵系统空载时的波特图

2.2 单电压环反馈操纵

输出电压瞬时值单环操纵是将逆变电源的输出电压直接与参考正弦给定相较较，其结构

框图如图2-3所示，在那个地址采纳P型调剂器，图中Uc为参考正弦波输入，Kv为操纵环调剂器的增益系数，逆变桥增益Kb量化为1。

图2-3 逆变电源单电压环反馈操纵原理框图

忽略负载电流扰动io，即空载时，由结构框图可取得逆变电源正弦电压给定Uc关于实

际输出电压U的传递函数为：

G0(s)KvU(s) Uc(s)LCs2rCsKv1 （2-3）

带载时，负载电流扰动i0关于输出电压U的传递函数，即输出阻抗为：

Gi(s)U(s)Lsr I(s)LCs2rCsKv1 （2-4）

图2-4为单电压反馈环操纵系统空载时的波特图，单电压反馈操纵通过对输出电压的瞬时值进行负反馈操纵，设置比例调剂器的参数Kv能够使得系统较开环操纵时有好一些的动静态性能。增大Kv，能够减少系统稳态误差，提高系统的动态响应速度。但Kv的增大，会减小系统的稳态裕度，因此Kv不可能取得过大；同时系统在空载时仍然是一个二阶震荡环节，空载时性能仍然较差。为进一步提高动态、静态性能，能够增设电流内环反馈，从而组成多环反馈操纵。

图2-4 单电压反馈环操纵的波特图

2.3 电感电流内环电压外环反馈操纵

电感电流内环电压外环的双环反馈操纵结构框图如图2-5所示，它在单电压反馈操纵的

基础上，以滤波电感电流iL为反馈变量组成电流内环。

图2-5 逆变电源电感电流内环电压外环反馈操纵原理图

上图中，Uc为系统输入，即输出电压的参考正弦信号，逆变桥增益Kb量化为1。依照

结构框图2-5能够取得逆变电源正弦电压给定Uc关于实际输出电压U的传递函数为：

G0(s)KvKiU(s) Uc(s)LCs2rCCKisKvKi1 （2-5）

带载时，负载电流扰动i0关于输出电压U的传递函数，即输出阻抗为：

Gi(s)LsrKiU(s) I(s)LCs2rCCKisKvKi1 （2-6）

如2-6 电感电流内环电压外环的双环反馈操纵系统的波特图

取相同的系统参数，依照式2.5能够划出基于电感电流的多环反馈操纵系统的波特图，如图2-6所示。相较于开环操纵系统的单电压操纵系统的波特图，咱们能够很清楚地看出系统的幅频特性曲线在谐振频率处的谐振尖峰已经被排除，这说明空载系统在该处的震荡问题取得专门大的改善。同时，由相频特性曲线也能够看出，系统的稳固裕度也比原先大了许多。因此，滤波电感电流内环的引入，使滤波电感电流成为可控的电流源，如此从电压调剂器的输出到电感电流iL之间的部份能够看成一个近似的比例环节，使得系统的稳固性大大提高；同时滤波电感电流内环对包括在环内的扰动，如输入电压的波动、死区时刻的阻碍、变压器铁芯励磁特性非线性的阻碍、电感参数的转变等都能起到及时的调剂作用。且电流内环具有自然的限流功能。

与单一的电压瞬时值反馈操纵方式相较，系统的稳态性能与暂态性能都大大提高，专门是由于负载电流操纵的引入，使得系统带非线性负载时输出电压的正弦度有了专门大的改善。

2.4 电容电流内环电压外环反馈操纵

滤波电容电流内环电压外环的双环反馈操纵结构框图2-7所示，它在单电压反馈操纵的

基础上，以滤波电容电流ic为反馈变量组成电流内环。

图2-7 逆变电源滤波电容电流内环电压外环反馈操纵原理框图

上图中，Uc为系统输入，即输出电压的参考正弦信号，逆变桥增益Kb量化为1。依照结构框图2-7能够取得逆变电源正弦电压给定Uc关于实际输出电压U的传递函数为：

G0(s)KvKiU(s) Uc(s)LCs2rCCKisKvKi1 （2-7）

带载时，负载电流扰动i0关于输出电压U的传递函数，即输出阻抗为：

Gi(s)LsrKiU(s) I(s)LCs2rCCKisKvKi （2-8）

图2-8 电容电流内环电压外环的双环反馈操纵系统的波特图

一样去相同的系统参数，依照式2-7能够画出基于电容电流的多环反馈操纵系统的波特

图，如图2-8所示。相较于开环操纵系统的单电压操纵系统的波特图，咱们仍能够很清楚地看出系统的幅频特性曲线在谐振频率处的谐振尖峰已经被排除，这说明空载系统在该处的震荡问题也取得了专门大的改善。同时，由相频特性曲线也能够看出，系统的稳固裕度也比原先大了许多。

采纳电容电流反馈与电感电流反馈相较，系统的稳固性略有降低，可是系统外特性更硬。

由于电感电流反映的是负载电流的转变，而电容电流反映的是输出电压的转变，而滤波电容电流相当于输出电压的微分，代表了输出电压的转变趋势，能够提早对输出电压进行校正操纵，因此采纳电容电流反馈的系统有更好的负载适应能力，尤其是很强的带整流负载的能力。

从电路角度看，显现负载扰动时，电感电流不能突变，只能阻碍电容电流，因此，电容

电流反馈能够直接反映出负载电流的瞬时转变。从扰动的作用点来看，带滤波电感电流内环的电压瞬时值操纵要达到带滤波电容电流内环的瞬时值操纵的成效，必需引入负载电流的前馈操纵补偿，而采纳电容电流反馈就能够够将负载扰动包括在反馈环路的前向通道内，能够时对扰动产生抑制，因此咱们能够直接对滤波电容电流进行采样反馈,而不用对电感电流负载电流两个信号同时采样和反馈，从而能够简化反馈电路，增强系统的靠得住性，而且具有良好的动!静态性能。