逆变器重复控制器设计和仿真

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1、逆变器重复控制器设计和仿真　　摘要：针对实际应用给出了重复控制器内模、补偿器以及周期延迟环节的优化设计方法，推导出了重复控制器的稳定性判断条件和收敛指数。基于3kVA逆变器硬件和控制参数设计了重复控制器，给出了重复控制器各关键参数的设计过程，并进一步基于重复控制器稳定性判断条件对设计结果进行了稳定性验证。利用Matlab软件对设计结果进行了验证，仿真结果表明在逆变器控制中添加重复控制器后，能明显降低逆变器带非线性负载时输出电压的总谐波失真度值。关键词：重复控制器；逆变器；Matlab；稳定性验证中图分类号：TN911?34文献

2、标识码：A文章编号：1004?373X（2013）22?0164?040引言逆变器输出电压的失真度（Totalharmonic5distortion，THD）是衡量其输出稳态性能的一个重要指标，当逆变器硬件系统选型和设计确定后，其输出电压的THD值就主要取决于逆变器的控制参数。通常情况下，通过增加逆变系统的控制增益，在一定程度上可以减小逆变输出电压的THD值。但是，限于各种实际因素，如数字化控制带来的计算延迟及杂散电感和杂散电阻等影响，控制增益增加到一定程度会导致系统不稳定。因此，仅仅通过提高控制增益的方法去降低逆变输出电压失

3、真度是不可取的，其效果也是非常有限的[1]。鉴于上述问题，本文基于重复控制技术思想，在逆变器双环控制器结构的基础上，额外又引入了重复控制器单元以进一步提升逆变器的稳态性能。在重点分析了重复控制器的结构、原理以及稳定性判断条件后，基于3kVA逆变器平台进行了重复控制器的详细设计，并利用Matlab软件进行了仿真验证，仿真结果表明在逆变器控制中添加重复控制器单元可以有效提升逆变器的稳态性能。1重复控制结构和原理重复控制是基于内模原理的一种控制思想。当将重复控制用于逆变器的波形校正时，其基本思想是假设前一个基波周期中出现的波形畸变将

4、会在下一个基波周期的同一时间重复出现。在此假设条件下，控制器根据每个开关周期给定信号与反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上，以消除以后各基波周期中将出现的重复畸变[2]。5如图1所示为逆变器重复控制系统示意图。图中[r]为正弦参考信号；[y]为逆变器输出电压；[e]为误差信号；[d]为等效的周期性扰动；[z]为周期延迟环节；[N]为一个基波周期的采样次数；[C（z）]为重复控制环路的补偿器，[P（z）]为逆变器闭环控制对象，图中阴影部分为重复信号发生器内模单元，虚线框部分

5、为完整的重复控制器单元。为了确保输出量对正弦参考指令的跟踪速度不受重复控制器的限制，此处介绍的重复控制器是以嵌入式的形式添加于逆变器控制结构中[3]，即最终的闭环系统控制指令是由参考信号前馈以及重复控制器计算结果叠加而来，下面将分别介绍重复控制器各组成部分。1.1重复信号发生器内模所谓内模，是指在稳定的闭环控制系统中包含外部输入或者干扰信号的数学模型。实际情况中，当逆变器输出带非线性负载时，作为扰动信号的负载电流是非正弦的，其中蕴含了基波以及基波频率整数倍的多重谐波，此外，再考虑如死区效应等非线性扰动因数，如果要求对所有这些扰

6、动均实现无静差跟踪，那将意味着对每一次谐波都设置一重正弦函数内模，那所需的内模重数可能会很多，这将使控制系统过于复杂。注意到死区和非线性负载扰动引起的误差信号在每一个基波周期都以完全相同的波形重复出现，即扰动具有重复性，因此将内模设计如下[2，4]：从式（3）也可以看出，当Q取值小于1时，会导致控制结果存在一定的静差，因此在实际实现时，需要综合考虑逆变器输出稳态指标和系统稳定性来选取Q值。51.2补偿器在实际设计中，需要根据已知干扰信号的频率范围来决定补偿器[C（z）]将要补偿[P（z）]的频率范围，这样就可避免将[C（z）]

7、设计得过于复杂。同时考虑到重复控制本身也不可能对频率高于一半采样频率的干扰信号进行抑制，所以也就没有必要对所有高频段的[P（z）]做补偿。考虑到上述因数，补偿器被设计成如下形式[5]：式（4）主要由重复控制增益[Kr]、超前环节[zk]和滤波器[S（z）]三个部分组成。重复控制增益通常取小于1的正常数，它用来控制加入补偿量的强度。减小[Kr]，则误差收敛速度变缓，稳态误差有所上升，但系统的稳定性会增强。超前环节[zk]作为相位补偿环节用来补偿由逆变器控制对象和滤波器所引入的总相位滞后，从而使得在中低频段近似为零相移。而滤波器[

8、S（z）]则是重复控制器中非常重要的部分，它的作用主要体现在三个方面：它首先要将逆变器控制对象中低频段的增益校正为1；其次它应当抵消逆变器较高的谐振峰值，使之不破坏系统的稳定性；同时它还应当增强前向通道的高频衰减特性，提高系统的稳定性以及抗高频干扰能力。1.3周期延迟环节5需