CN112953281A - 一种数字化变频调压信号源控制方案及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电压指令前馈控制的数字化变频调压信号源控制方案及系统，属于电力电子控制技术领域。具体实施方法为：首先根据给定的输出电压的频率和幅值指令，在调制比恒定的条件下改变后级PWM单相逆变器的直流输入电压，令跟定的参考电压与输出电压作差经电压外环控制器得到电感电流内环控制器的输入，同时参考电压指令经过前馈环节构成了内环控制器另一输入，在电流控制环和电压控制环作用下生成后级PWM单相逆变器控制指令，得到所需输出电压。本发明通过改变前级输出电压，从而在固定调制比条件下实现了宽范围电压输出，改善了低幅值下输出电压的波形质量，并通过加入电压指令前馈控制改进控制器，解决了PI控制器无法准确跟踪交流指令的问题。
Description
技术领域
本发明属于电力电子控制技术领域，更具体的，涉及一种数字化变频调压信号源控制方案及系统。
背景技术
电源是目前人类生产和生活中最重要的一种能量来源。随着各行各业对电气设备控制性能要求的进一步提高和电力电子技术的高速发展,对电源的要求也越来越高，在很多情况下需要用到不同频率、不同幅值的各种类型的交流电压源。变频调压信号源作为一种正弦波形发生装置，能够输出频率、幅值在一定范围内任意可调的正弦电压，广泛应用于新能源装备阻抗测量、电气设备测试、医疗设备供电等领域。
和其他电力电子设备类似，变频调压信号源经历了由模拟式到数字式的发展过程。早期的模拟控制方法有很多难以消除的缺点：需要的元器件数量多，调试过程较为复杂，也造成系统的故障检测比较困难；系统的控制精度差，由于元器件的连接相当复杂，造成产品的生产效率低，生产周期长；电源的性能和稳定性受到元器件的老化和温漂等各类因素的制约，系统的可靠性相对较低；模拟式电源往往不具备实时监控功能，安全性也无法得到保障；尽管一些模拟控制集成芯片的使用可以实现一些控制功能，但是其控制回路仍然需要配置相应的电阻、电容等元器件，往往不够灵活，更难以实现一些复杂、先进的控制算法，不利于电源性能的进一步提升。
数字化变频调压信号源目前主要的研究难点和研究现状如下：变频调压信号源在输出电压的幅值较大时，往往具备较好的波形质量，然而随着输出电压的幅值减小，波形质量也会显著下降。变频调压信号源在数字控制下，难以通过查正弦表的方式获取不同频率的调制波，导致无法输出任意频率的电压。变频调压信号源要求输出电压的频率、幅值在一定范围内任意可调，现有的控制策略均难以达到较好的控制效果。
发明内容
本发明提供一种数字化变频调压信号源控制方案及系统，用来准确控制变频调压信号源的输出电压。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种数字化变频调压信号源控制方案及系统，包括：
后级PWM单相逆变器：其拓扑结构为全桥电压型PWM逆变电路，后接LC滤波电路；逆变电路组成为：开关管Q5、开关管Q7构成的H桥单元第一桥臂，开关管Q6、开关管Q8构成的H桥单元第二桥臂，滤波电感Lf2和滤波电容Cf2串联，一端与第一桥臂中电相连，另一端与第二桥臂中电相连，负载与滤波电容Cf2并联连接。
单相逆变器的状态空间表达式为：
其中，L为输出滤波电感，C为输出滤波电容，r为受死区效应、非线性负载等因素影响的系统等效电阻，ui是滤波器输入电压，uo是输出电压，io是负载电流，iL是流经输出滤波电感的电流，iC是流经输出滤波电容的电流。
单相逆变器系统的频域传递函数为：
电容电压电感电流双环PI控制器，其输入输出关系为：
本发明的有益效果为：外环电容电压控制器用于控制输出电压，内环电感电流控制器用于限制电流大小，以便在发生短路故障时保护开关管，在保证满足设计指标的动态性能前提下，通过给电感电流的指令限幅的方式来限制流过开关管的最大电流，从而在发生短路故障时保护开关管。
所述电流环的开环和闭环传递函数分别为：
电流环的截止频率在4000Hz附近，取比例系数Kip＝1.8，积分系数Kii＝30000，以满足满足稳定裕度的要求：相角裕度在45°至60°之间，幅值裕度大于3dB。
所述电压环截止频率在2000Hz附近，取Kvp＝3.1，Kvi＝10000，满足稳定裕度的要求。
所述电压指令前馈控制，前馈函数为sC/Gic(s)时，可以完全消除系统的稳态误差。
本发明有益效果为：电流环和电压环的幅值增益尽量取大，尽量减小稳态误差，将前馈函数设计为控制对象的倒数，也就是Gff(s)＝1/Go(s)，则系统的输出量将在任何时刻都可以完全无误的跟踪上系统的输入量，前馈函数忽略了延时函数以保证系统稳定性。
附图说明
图1为本发明提出的数字化变频调压信号源控制方案；
图2为本发明实施例提供的单相逆变器系统的频域框图；
图3为本发明实施例提供的空载下电流环简化控制框图；
图4为本发明实施例提供的电压环控制框图；
图5为本发明实施例提供的有输入前馈忽略延时函数时电压环控制框图；
图6为本发明实施例提供的在不同幅值、频率的电压指令下输出电压波形；
其中，(a)、(b)、(c)、(d)为双环PI控制(无电压指令前馈)不同指令下输出电压波形；(e)、(f)、(g)、(h)为双环PI加电压指令前馈控制不同指令下输出电压波形。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示为本发明提出的数字化变频调压信号源控制方案。首先对后级PWM单相逆变器组成进行说明：其拓扑结构为全桥电压型PWM逆变电路，后接LC滤波电路；逆变电路组成为：开关管Q5、开关管Q7构成的H桥单元第一桥臂，开关管Q6、开关管Q8构成的H桥单元第二桥臂，滤波电感Lf2和滤波电容Cf2串联，一端与第一桥臂中电相连，另一端与第二桥臂中电相连，负载与滤波电容Cf2并联连接。基于该拓扑结构，本发明给出了一种数字化变频调压信号源控制方案及系统：给定输出参考电压的频率和幅值指令，在电容电压外环及电感电流内环控制器的控制下，经后级PWM单相逆变器得到所需输出电压，通过加入电压指令前馈控制改进控制器，从而实现无静差跟踪交流指令。
该方案具体步骤为：给定输出参考电压的频率和幅值指令，与实际输出电压作差得到电压误差指令，经过电容电压PI控制器、电感电流PI控制器得到调制波，经PWM脉冲发生器控制开关管导通；另外参考电压经过一前馈项消除稳态误差。
如图2所示为本发明实施例提供的单相逆变器系统的频域框图，其中，L为输出滤波电感，C为输出滤波电容，r为受死区效应、非线性负载等因素影响的系统等效电阻，ui是滤波器输入电压，uo是输出电压，io是负载电流，iL是流经输出滤波电感的电流，iC是流经输出滤波电容的电流，将负载电流io看为系统的一个外在扰动，能反映逆变器的负载多样性的情况，根据本文所设计的LC滤波器参数频率特性测试方法，实测被控对象的参数如下：L＝22uH,C＝180uF,r＝0.2Ω。
如图3所示为本发明实施例提供的空载下电感电流环简化控制框图，通过给电感电流的指令限幅的方式来限制流过开关管的最大电流，从而在发生短路故障时保护开关管，控制器采用PI控制器，其在10Hz～400Hz内幅值增益的变化相对较小，只需一组控制器参数即可。在控制器参数的选取过程中，考虑了数字控制延时，延时环节的一阶Pade近似表达式如下：
另外，系统在空载时阻尼最小，谐振峰最大，震荡最激烈，因此在控制器设计时按照空载下进行设计。
如图4所示为本发明实施例提供的电容电压环控制框图，在内环的基础上，对输出电压进行控制，与内环相同，控制器采用PI控制器，在控制器参数的选取过程中，考虑了数字控制延时。
如图5所示为本发明实施例提供的有输入前馈忽略延时函数时电压环控制框图，在逆变器的双环控制中加入输入指令的反向前馈控制，可以有效地消除稳态误差。其中，Gic(s)为电流环的闭环传递函数，与1/sC一起构成了电压环控制器的控制对象。前馈函数为sC/Gic(s)时，可以完全消除系统的稳态误差。为避免Gd(s)取反并引入前馈函数中，会产生右半平面极点，造成系统的失稳，故将其忽略。
如图6所示为本发明实施例提供simulink仿真中的在不同幅值、频率的电压指令下输出电压波形，主电路参数如下表所示：
表4-1变频调压信号源后级逆变器主电路参数
其中，(a)、(b)、(c)、(d)为双环PI控制(无电压指令前馈)不同指令下输出电压波形；(e)、(f)、(g)、(h)为双环PI加电压指令前馈控制不同指令下输出电压波形。在增加电压指令前馈控制后，不同频率、不同幅值下的输出电压都基本消除了稳态误差，400Hz时输出电压的稳态误差也仅有0.6％，完全满足稳态误差小于2％的指标要求。以上实验波形，充分证明了本发明所提的电压指令前馈控制策略的有效性。
Claims (7)
1.一种数字化变频调压信号源控制方案及系统，其特征在于，首先在调制比恒定的条件下改变后级PWM单相逆变器的直流输入电压，根据给定的输出电压的频率和幅值指令，与输出电压作差经电压外环控制器得到电感电流内环控制器的输入，同时给定电压指令经过前馈环节也构成了内环控制器另一输入，在电流控制环和电压控制环作用下生成后级PWM单相逆变器控制指令，得到所需输出电压。
2.根据权利要求1所述的调制比恒定条件，其特征在于，根据后级PWM逆变器的输出电压的变化，调整前级DC/DC变换器的输出电压，保持调制比恒定。
3.根据权利要求1所述的一种数字化变频调压信号源控制方案及系统，其特征在于，包括：
后级PWM单相逆变器：其拓扑结构为全桥电压型PWM逆变电路，后接LC滤波电路；
电容电压电感电流双环控制器：外环电容电压控制器用于控制输出电压，内环电感电流控制器用于限制电流大小，以便在发生短路故障时保护开关管；
电压指令前馈控制环节：用来消除系统的稳态误差。
4.根据权利要求1或2所述的一种数字化变频调压信号源控制方案及系统，其特征在于，所述后级PWM单相逆变器包括，开关管Q5、开关管Q7构成的H桥单元第一桥臂，开关管Q6、开关管Q8构成的H桥单元第二桥臂，滤波电感Lf2和滤波电容Cf2串联，一端与第一桥臂中电相连，另一端与第二桥臂中电相连，负载与滤波电容Cf2并联连接。
5.根据权利要求1或2所述的一种数字化变频调压信号源控制方案及系统，其特征在于，所述电容电压电感电流双环控制器具体为：
给定输出电压参考指令与实际输出电压作差，经过电容电压PI控制器得到电感电流参考值，经过电感电流PI控制器得到对应的调制波，经过后级PWM单相逆变器输出电压。
6.根据权利要求1或2所述的一种数字化变频调压信号源控制方案及系统，其特征在于，所述电压指令前馈控制环节具体为：
给定输出电压参考指令经过一前馈环节对电感电流参考值进行控制，该前馈环节传递函数为电流环及被控对象函数的倒数，使得输出电压实现无静差控制。
7.根据权利要求6所述的一种数字化变频调压信号源控制方案及系统，其特征在于，所述前馈环节传递函数为sC/Gic(s)，C为滤波电容，s为拉斯算子，Gic(s)为电流环的闭环传递函数。
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