基于谐振及死区补偿的H4逆变拓扑控制

摘 要

建立了单相H4结构电压型逆变器的s域模型，根据s域模型在双闭环控制的电压环中引入了新颖的比例谐振控制器，最后将死区补偿与双环控制结合，提高控制增益。样机试验结果与仿真结论吻合。

【关键词】谐振控制 死区 逆变器 双环控制

1 引言

单相全桥H4拓扑是应用最广泛的一种逆变拓扑，然而，由于其采用的输出滤波器不同，控制方法也有差别，尤其是LCL滤波器的单相全桥逆变器。文献[1]介绍了PWM控制技术及其在逆变电路和整流电路中的应用，但并未对其控制过程作详细、直观的描述；文献[2-3]介绍了一种逆变电路死区补偿的方法，同样未对控制过程作介绍。

本文基于新颖的比例谐振控制器构建双闭环控制系统，然后通过仿真与实验进行验证。

2 H4逆变模型及控制策略

单相全桥逆变器的架构如图1（a）所示。该拓扑由直流电压源E、开关管S1～S4、负载等效阻抗Z、滤波电容C及滤波电感L1和L2组成。ui、ii分别为桥臂电压、桥臂电流；uo、io为逆变电压、逆变电流；uc、ic分别为电容电压、电容电流。

图1（b）为逆变器及其T型滤波器的s域数学模型。可见，模型中含有负载电流io负反馈和电容电压uc负反馈。在设计系统的控制环路时必须考模型内部反馈并加以补偿，然后选择合适的控制器。

根据前文分析，本方案采用电压uo外环加上电感电流ii内环的双闭环控制结构，并以负载电流io正反馈，电容电压uc正反馈加以补偿。为加快系统的响应速度，提高带载能力，电流内环采用比例控制；为降低输出交流电压中的谐波并消除稳态误差，将比例谐振控制器引入电压外环，其传递函数如式（1）所示[5]；具体的s域控制方案见图2：

（1）

通过引入比例谐振控制，使得系统在给定信号频率处较PI控制器获得了无穷大的增益，有利于消除稳态误差。图1中，工作时S1和S2的通断状态互补，S3和S4的通断状态也互补。如果在一个IGBT截止的同时让此桥臂的另一个IGBT开通，将会出现上下桥臂直通而短路的现象。为了防止该现象，必须在开通和关断信号间插入死区，死区的存在又将导致uo波形产生畸变。因此，本文在双闭环控制的同时加上死区补偿，具体的死区补偿方法可参考文献[2]。

3 对比仿真及实验

采用Matlab中的底层模块搭建仿真模型，设置控制参数为：K=10，H=500，wo=314rad/s。根据图1（b）及图2分别对系统进行仿真，得到图3所示输出电压仿真波形。图3（a）为开环控制，即不采用双闭环结构也没有死区补偿，uo的峰谷处呈削顶状。而图3（b）采用了双闭环控制并引入比例谐振控制及死区补偿，波形削顶得到改善。

为验证前文分析，研制了一台样机并测试，控制器基于TMS320F2802实现。采用本文控制方案的实验结果如图4所示，结果与仿真分析一致。

4 结论

逆变器的开环控制及死区对输出电压产生影响，仿真表明，通过引入谐振控制环路并使用死区补偿可改善输出电压波形，实验进一步证明了该方法的可行性。

参考文献

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]刘亚东，邢岩，黄立培.采用死区补偿和输出电流补偿的数控UPS逆变器[J].北京：清华大学学报：自然科学版，2006，46（1）：17-20.

[3]蒋国栋，韦忠朝，钟运平.基于Matlab对AC/DC/AC电源的死区效应的谐波分析及仿真[J].通信电源技术，2005，22（2）：28-30.

[4]伍家驹，林金城，王文婷，杉本英彦.单相全桥SPWM逆变器的仿真研究[J].系统仿真学报，2008，20（21）：6002-6005.

[5]刘斌，谢积锦，李俊.基于自适应比例谐振的新型并网电流控制策略[J].电工技术学报，2013，28（9）：186-195.

作者简介

谢积锦（1987-），男，广西壮族自治区灵山县人。硕士学位。现为钦州学院物理与电子工程学院助教。研究方向为电力电子技术。

作者单位

钦州学院物理与电子工程学院 广西壮族自治区钦州市 535000