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1、华中科技大学 硕士学位论文 PWM逆变电源双环控制技术研究 姓名：何俊 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：彭力 20070209 I 摘 要 逆变器作为 UPS 系统的核心部分， 要求它能够输出高质量的电压波形， 尤其是在 非线性负载情况下仍能够得到接近正弦的输出波形，因此各种各样的逆变器波形控制 技术得以发展。其中瞬时值反馈控制技术是根据当前误差对逆变器输出波形进行有效 的实时控制，如果控制器设计合理，则既可以保证系统具有较好的稳态性能，同时可 以保证系统具有较快的响应速度。本文主要研究内容是 PWM 逆变电源电流内环电压 外环双环控制技术，对逆变器双环控制进行了理论分
2、析，并结合仿真和实验对其控制 性能进行了深入的研究。 基于状态空间平均法给出了 PWM 逆变器的传递函数形式和状态方程形式的数学 模型， 详细分析了死区效应、 过调制和非线性负载对单相全桥逆变器输出电压的影响， 指出减小输出阻抗是增强系统非线性负载适应能力的合理方案。 分析比较了电感电流内环电压外环和电容电流内环电压外环两种双环控制方式， 提出了带负载电流前馈补偿的电感电流内环电压外环双环控制方式，重点研究了逆变 器电容电流内环电压外环双环控制。依据电流内环所采用调节器的不同，分别讨论了 电流内环采用 P 调节器、电压外环为 PI 调节器和电流内环、电压外环均为 PI 调节器 两种双环控制方式
3、。采用极点配置的方法设计控制器参数，在闭环系统配置相同的阻 尼比和自然频率的前提下对两种双环控制方式进行仿真比较。仿真结果表明电流内环 和电压外环均采用 PI 调节器的逆变器双环控制方式能够达到较好的动、静态特性， 特别是其非线性负载带载能力较强；电流内环采用 P 调节器、电压外环为 PI 调节器 的逆变器双环控制方式稳态性能较好，但其抗非线性负载扰动能力不及电流内环和电 压外环均采用 PI 调节器的双环控制方式，理论分析和仿真结果表明增大双环控制系 统的期望自然频率可以改善系统的抗非线性负载扰动能力。 基于理论分析和计算，在一台样机上进行电容电流内环电压外环的双环模拟控制 实验，实验结果与理
4、论分析相符。 关键词：关键词：PWM 逆变器 双环控制 极点配置 模拟控制 II Abstract As the key part of the UPS(Uninterruptible Power Supply) system, inverters are required to get high quality output voltage waveform. To achieve nearly sinusoidal output voltage even with nonlinear loads, many waveform correction techniques have been
5、proposed. Since the instantaneous feedback control technique is a real-time control method according to the current error of output waveform, once the controller is designed properly, it could achieve nice static characteristics with good dynamic response. The dissertation focuses on the research fo
6、r dual loop control technique with instantaneous voltage and current feedback for PWM inverters. Both dynamic and static characteristics are analysed by simulations and experiments. Based on the state-space averaging and linearization technique, the mathematical model is given in form of transfer fu
7、nction and state equations. The influence of dead-time, over-modulation and nonlinear loads on output voltage in single-phase full-bridge inverters is analyzed in detail. The method which reduces equivalent output impedance of the close loop system to eliminate the disturbance of nonlinear load is r
8、easonable. The voltage and current dual loop control system is divided into inductor current feedback and capacitor current feedback. Both of them are analysed and compared in the paper, the dual loop control with inductor current feedback and load current forward feed compensation included. The dua
9、l loop control with capacitor current feedback is applied in the following simulation and experiment by analog method. Depending on the difference of controller for the current loop, the dual loop control is classified into two methods: current loop using P controller with voltage loop using PI cont
10、roller（Dual loop PI-P control）and both current loop and voltage loop using PI controller （Dual loop PI-PI control） . Controller parameters are obtained with pole assignment technique in the condition that both dual loop PI-P control system and dual loop PI-PI control system have the same desired dam
11、ping ratio and nature frequency. The simulink results show that dual loop PI-PI control technique for inverters could get nice static characteristic and well dynamic response. It could get high quality output waveforms even with nonlinear load. Dual loop PI-P control inverters III have nice static c
12、haracteristic with linear load, but it is not superior to the dual loop PI-PI control technique in characteristic with nonlinear load. Analysis and simulink comparison present that the characteristic with linear load could get better when the system has higher desired nature frequency. Based on the
13、theoretic analysis and calculation for the control parameters, a single phase inverter applying dual loop analog control technique with output voltage and capacitor current feedback is researched in the paper. The experiment results which accord with theoretic analysis are presented. Keywords：PWM in
14、verter；dual loop control；pole assignment；analog control 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律效果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门
15、或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 1 1 绪 论 1.1 电力电子技术概述 电力电子技术是一门使用电力电子器件，通过电力电子变换电路及相应的控制理 论，实现对电能的高效变换和控制的技术。电力电子技术包括电力电子器件、变流电 路和控制电路三个部分，其中以电力电子器件的制造技
16、术为核心技术。电力电子技术 是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展， 电力电子技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切 相关。目前，电力电子技术已逐渐成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科16。 电力电子技术在世界范围内已有较长的发展历史，由于它对生产的明显作用，如 优化性能和节能等，世界各国都很重视这一技术，因而发展速度很快。至 1980 年， 传统的电力电子器件已由普通晶闸管衍生出了快速晶闸管、 逆导晶闸管、 双向晶闸管， 同时各类 SCR 的性能也有很大改善。 80 年代以来，微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一 代高频化、全控型的功率集成器件，从而使电力电子技术进入了新的发展阶段。目前 电力电力技术正朝着高频化、模块化、多功能化、控制技术数字化方向发展。 在电力电子应用中，逆变电源其用途最为普遍。通常我们把将直流电变成交流电 的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路，而实现逆变过程的装置叫做逆 变器。若按直流电源
