董钊，王跃龙，林琼斌

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108)

1 引言

逆变器是UPS、感应电源、交流调速等电力电子装置的核心部分［1］，这些交流电源要求逆变器具有输出波形质量好，动态响应快。抗扰能力强等特点［2］。由于逆变器输出波形是中、低频正弦波，所以控制算法不能保证系统无静差［3］。

为了使逆变器的动稳态输出特性较好，专家学者相继提出了单周期控制、无差拍控制、智能控制等算法。本文研究了一种应用在单相逆变器控制中的新型双闭环控制算法，内环采用无差拍控制方法，可以大大改善被控对象的动态特性，使被控对象的动态响应快、动态性能变得极佳［4－8］;外环采用三输入单神经元自适应PID控制算法，该算法不仅可以使输出电压稳定在设定值上，同时还可以抑制输出电压的畸变。这两种控制算法的结合，可以发挥各自优势，互补不足，使系统得到更好的控制效果。通过在Matlab/Simulink中建模仿真，验证了该算法的可行性。

2 新型双闭环控制策略

一般而言，双闭环控制策略是内环控制电流，外环控制电压［9］。电流内环能够扩大逆变器控制系统的带宽，使逆变器动态响应加快，输出电压的谐波含量减小［10］。电压外环能够稳定输出电压，将负载输出电压与给定电压误差缩小为零。单相逆变器等效电路及其控制策略图如图1所示，取负载的输出电压反馈信号与参考电压进行比较，通过单神经元自适应PID控制模块，将其处理为电流内环的参考信号，再与输出电感电流反馈信号相比较，得到误差信号，经无差拍控制模块，最终得到PWM的给定信号。

3 双环控制系统建模

基于LC滤波的单相离网逆变器拓扑结构如图2所示，其中为iL电感电流，iC为电容电流，io为负载电流，uo为输出电压;R为逆变器负载电阻，ui为逆变桥侧的输出电压，Ud为逆变桥输入直流电。

图1 逆变器等效电路及其控制策略图

图2 单相离网逆变器拓扑结构图

针对电流内环反馈，根据基尔霍夫定律，可列出连续时域系统中的电路方程如下:

在一个采样周期内，将式(1)进行离散化，可得:

式中，T为离散采样时间。

电流内环采用无差拍控制策略，需要实现系统在第K+1时刻跟踪上参考电流，则令

其中，iref为参考电流，即电压外环的输出信号。

电压外环采用改进的单神经元自适应PID控制器，该控制器是传统PID控制器与神经网络相结合而产生的一种改进型控制方法，是通过对加权系数的调整来实现自适应、自组织功能［11］。通过有监督的Hebb学习规则来实现权系数的更新。三输入单神经元自适应PID控制的结构如图3所示。

图中，yref为逆变器负载的参考电压，y为逆变器负载的输出电压。通过转换器后获得单神经元的输入信息为:

x1(k)=yref(k)－y(k)=e(k)

图3 单神经元自适应PID控制的结构图

改进型的单神经元自适应控制算法及学习算法为:

式中，nI、nP、nD分别为积分、比例、微分的学习速率，K为神经元的比例系数，K＞0。该PID控制器学习算法的运行效果与可调参数nI、nP、nD、K等的选取关系密切。准确参数通过参阅文献［12］，以及大量实例仿真和实控结果得出，这里不再赘述。

根据以上分析，最终得到的逆变器开关管占空比为:

4 算法Simulink建模仿真分析

运用Matlab/Simulink实现仿真和代码生成。逆变直流侧电压取250V，阻性负载取R=55Ω，载波频率fC=20kHz，逆变器有效输出110V/50Hz。根据相关计算，取采样时间 T为0.1ms，LC滤波器参数为 L=1.2mH，C=3 ×10－5F，nI取 1，nP取 1000，nD取 10，K值取0.75。利用Matlab/Simulink搭建该控制算法的模型进行了仿真，仿真如图4所示。

首先对系统的静态模型进行了研究。当变换接不同负载时，则得到如图5～7所示的负载输出电压和输出电压FFT分析图波形。

图4 阻容性负载时，控制算法的模型图

图5

图6

图7

由图5～7的仿真波形可知，在接纯阻性负载时，输出电压的THD为0.25%;接阻感性负载时，输出电压的THD为0.35%;接阻容性负载时，输出电压的THD为0.36%。可见，该控制算法下的逆变器的静态性能较好，输出电压的失真度较小。随后对逆变器的动态特性进行仿真研究。当接纯阻性负载时，在0.02s时阻性值由55突然减少一半，到0.04s时，再由一般阻值突变到55。此时负载两端电压波形和FFT分析图如图8所示(为了便于输出电压与负载电流易于比较，使输出电压缩小10倍)。

图8 突变时，负载两端电压波形和电流比较图

图9 突变时，3个周期内的负载两端电压FFT分析图

可见，在该控制算法下，当阻性负载突变时，调节时间几乎为0，且在突变的3个周期内，输出电压的THD为0.19%，说明该算法具有很好的动态响应性能。

显然，通过对该逆变器新型双环控制算法在Matlab/Simulink平台下的建模仿真，结果显示具有良好的动静态性能，满足相关要求。

5 结论

研究了新型数字双闭环控制算法在单相逆变器控制中的应用。仿真结果表明，采用该新型双闭环控制算法的逆变器具有优良的动静态性能，并且算法结构简单，编程易于实现。

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