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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于状态空间的PID/PID双环数字控制逆变器研究 姓名：白雪竹 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 20090531 I 摘 要 PWM 逆变器作为主流逆变器，已在不间断电源 UPS、变频电源、电力系统、新 能源供电系统等众多领域得到了广泛的应用。随着这些应用领域对 PWM 逆变电源的 要求越来越高，具备高稳定性、快速的动态响应、高稳态精度等一系列特点的高性能 逆变电源逐渐成为了发展趋势。 本文重点关注 PWM 逆变器的关键技术之一输出电压波形质量，研究基于状态空 间的单相 PWM 逆变器双环数字控制技术，采用了带负载电流前馈的 PID/
2、PID 双环数 字控制策略，其中输出电压外环、电感电流内环都采用 PID 控制器。仿真结果表明该 控制方案稳态误差小、动态特性好，非线性负载时输出电压 THD 较低。为了解决数 字处理器采样、计算延时带来的最大占空比受限问题，在 PID/PID 双环数字控制的基 础上引入了观测器（状态观测器和扰动观测器） 。为了减小观测误差，又在状态观测 器上施加了重复补偿控制。仿真结果表明，这种控制方式能使得系统具备较好的动态 和稳态性能，非线性负载时的抗扰能力也较好。 另外，本文基于上述带负载电流前馈的双环数字控制架构，比较了单相逆变器的 PID/PID、PID/PI、PI/PI 这 3 种双环数字控制策
3、略的优劣。大量详细的仿真数据对比 总结出， 当电压外环或电流内环增加一个微分环节 D 后， 逆变器双环控制方案的稳态 特性、动态特性和非线性负载时的抗扰能力的变化趋势。 基于理论分析和仿真结果，在一台单相 50Hz SPWM 逆变电源上进行带观测器的 PID/PID 双环数字控制实验，实验结果表明该控制方案能较好地满足逆变电器的性能 要求。 关键词：PWM 逆变器 双环数字控制 极点配置 观测器 II Abstract As main stream inverter, PWM inverter has been used widely in UPS, variable frequency po
4、wer source, power system, new energy power supply system. With the increasing demands in these application areas, developing a high-performance inverter, which is of high stability, fast dynamic response and high static accuracy, has become a tendency. This paper is mainly concern waveform quality o
5、f output voltage and researches dual loop digital control technology of PWM inverter based on mathematical model. Load current forward feed compensation is adopted and PID controller is used both in outer loop of output voltage and inner loop of inductive current. There are many advantages of this k
6、ind of control method which is proven by simulation results, such as small steady state error, excellent dynamic characteristic, low output voltage THD with non-linear load. To solve the issue of limited Dmax and how to reduce observation error, we try to use state and disturbance observers as well
7、as a repetitive compensation, which have been turned out to be very successful by simulation result. In addition, based on the dual loop digital control framework of load current forward feed compensation mention above, we have compared three kinds of dual loop control method without observer betwee
8、n PID /PID, PID/PI and PI/PI. By analyzing a large mount of detail data, we have learned the variation tendency of stability character, THD of dual loop control method when we add a differentiation element D in voltage outer loop or current inner loop. Based on theoretical analysis and simulation re
9、sults, the conclusion of experiment on a 50HZ SPWM single-phase inverter is that PID/PID dual loop digital control with the application of repetitive compensation and observer is simple, feasible and can meet all the performance requirements of the inverter power source perfectly. Keywords: PWM inve
10、rter; dual-loop digital control; pole-assignment; observer 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
11、关部门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 数字控制 PWM 逆变器的应用领域 在能源日益紧缺的今天，电力电子技术得到了前所未有的飞速发展和重视，而作 为应用最广泛之一的逆变技术在各种能量转换方式中的地位日益凸显。 在众多文献中 提到，直流电功率转变成交
12、流电功率是通过逆变器实现的，即输入的为直流电，输出 的为交流电1 3。PWM 逆变器作为主流逆变器，在电力电子和控制等众多领域中得 到了广泛的应用： （1）不间断电源UPS4 8 不间断电源（Uninterruptible Power Supply）简称 UPS，是 PWM 逆变器的一个重 要应用领域。UPS 可按功率大小、输出波形、输入输出方式、工作原理来划分类别， 但无论按什么方法分类，UPS 的组成都包括充电器和逆变器5。UPS 逆变器为直接连 接的负载提供电源， 是整个 UPS 系统的核心部分， 对 UPS 的供电性能起决定性作用。 UPS 主要应用在医疗卫生、金融系统、航空系统、通信
13、设备等众多领域，今后 UPS 将朝着智能化、网络化、数字化和高频化方向发展6 7。 （2）电力传动与变频电源9 PWM 逆变器在高性能调速传动系统和交流伺服系统等起着关键作用，这些采用 PWM 逆变器的运动控制系统广泛运用在工业生产、交通、国防、科学研究等各个领 域。 （3）电力系统中的应用10 12 今年来电网的供电质量备受关注， 为了解决电力系统中供电电压存在各种干扰的 问题，PWM 逆变器在柔性交流输电系统（FACTS） 、统一潮流控制器（UPFC） 、统一 电能质量调节器（UPQC）等电力系统器件的控制器通常会采用 PWM 逆变器。文献 11中针对灵活柔性交流输电系统提出了一种基于新型
14、的优化部分不对称脉冲宽度调 制方法的大功率 PWM 逆变器；文献12中的两个统一潮流控制器通过直流电容与逆 变器相连， 通过控制逆变器的数电压复制和相角达到控制直流母线电压和线路潮流的 2 目的；文献13中建立了基于电压型逆变器的串联型电能质量补偿器与系统相互作用 的模型。 （4）可再生能源供电系统13 16 随着对可再生能源和分布式发电不断持续增长的需求， 为改善电网供电的可靠性 和质量，就要求人们采取新的策略运行和管理电网。作为电力电子技术中重要组成部 分的 PWM 逆变器，在分布式发电和可再生能源的整合中扮演了很重要角色，被广泛 应用于这些可再生能源场合13。可再生能源（RE）主要包括风
15、能、太阳能、生物和 地热能等，而风力发电和光伏太阳能发电是可再生能源技术中相对成熟、应用相对广 泛的技术14。在这两种可再生能源发电系统中，大功率的逆变技术是这些应用场合的 关键技术之一， 随着多电平逆变技术和多电平级联技术的优势愈加突出和电力电子器 件的不断发展，相信多电平逆变器将在这些领域将得到更加广泛的应用15 16。 1.2 数字控制 PWM 逆变器技术发展现状 1.2.1 数字控制的优点 传统的逆变器大都采用模拟控制，但随着电力电子技术不断发展，模拟控制本身 暴露出很多缺点。数字控制的出现适时的弥补了模拟控制自身的缺点，采用数字控制 的 PWM 逆变器具有以下明显优势17 19： （1）控制策略灵活，提升逆变器的智能性； （2）易于系统升级和维护； （3）易于标准化模块化； （4）受噪声和温漂的影响小，可以应用于强干扰性的场合； （5）易于远程实时监控，在航空航天电源、分布式供电系统等领域应用。 1.2.2 数字控制存在的问题 虽然数字控制具有如上所述诸多优点，但是数字控制也存在一些不容忽视的问 3 题。数字控制自身的问题主要体现在：数字量化过程产生的误差，数字处理器采样、 计算延时带来的逆变电源最大占空比受限，零阶保持器对逆变器的影响等。只有解决 了这些问题，才能充分发挥数字控制的优势、提高 PWM 逆变器的性能，因此这些亟 待解决
