单相SPWM逆变器非线性前馈控制技术

1、第32卷第I期2011年3月Vol. 32 No. 1Mar. 2011上海海事大学学报Journal of Shanghai Maritime L nivribity文饥编号:1672-9498 CO 11 )01-0054-06单相SPWM逆变器非线性前馈控制技术何远彬"，吴卫民"，梁承姬“，耿攀"，叶银忠2(1.上海海事大学u.物流工程学院；b.科学研究院，上海201306;2.上海应用技术学院电气与电子工程学院，上海200235 )摘 耍:针对单相电爪源熨逆变系统中出现的直流母线电爪波动会对系统带來干扰的现象，提出先 通过双重傅里叶变换对单相半桥正弦脉宽调

2、制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)的电压 源型逆变器的输出电斥进行谐波分析，然后从傅里叶分析的角度推导并得到非线性询馈控制技术 的理论依据仿其验证农明，采用非线性前馈控制技术不仅能够仃效抑制口流母线电压波动带來的 干扰，而.L还能够分担母线平波电容的“解耦”作用，使母线电容值降低、逆变器体积减小，同时也 可以延长逆变器的使用寿命.关键囲：逆变器；也流侧纹波；傅里叶变换；谐波；前馈中图分类号：TM464.4； TM761. 1； 0174.2文献标志码：ANonlinear feedforward control technologyin sin

3、gle-phase SPWM inverterHE Yuanbin,a, WU Weimin,a, LIANG Chengji,b, GENG Pan1% YE Yinzhong2a.d. Logisliw Engineering (College： L> A< a<leiny <>f S<-ience K Technology Shanghai MaritinieVniv. Shanghai 201306* China： 2 School of Electric A Electron Engineering#Shanghai Institute of Te

4、chnology. Shanghai 200235» China)Abstract: According to thr fact that thr DC-link voltage ripples occurring in the singlr-|>hasr voltage source inverter svstciii interfere with the systenu the output voltage harmonic of siiigle-filiase half4)ri<lge Sinusoidal Pulse Width Mcxlulation 6PWM

5、) of voltage sour<*r invritrr is analyzed by using double Fourier transform firstly» and then thr theoretical basis of the nonlinear fee<l-forward control technique is(l<- rivrd from the angle of Fourier analysis. Simulation results show that the nonlinear feed-forward control trehniqu

6、r can not only inhibit tile intrrfrrrnce caused by the DC-link voltage ripplr cffrctivrly ljut also share the "decoupling" responsibility of DC-link flat wave capacitor* which decreases the DC-link capacitance 9 downsizes the invrrtrr an<l incrrascs the srnicr life of inverter.Key words

7、： inverter； I)Cink ripplr： Eourirr transform： harmonic； frr(Honvar(l收槁日期:2010-07-19 修回日期:2010-08-26菇佥项H：国家自然科学耳金60707017 );上海币教育委员会篋点学科建设项冃050602);匕海市青年科技启明星人才计划09QA1402500 ); 上海币科学技术委员会垂点项I08210510500 )作石简介：何远彬(1985 )男福建政和人硕七研究牛研究方向为电力电子装誉及英押制.(FLn.uiil )l>ryuaiibinl23y3lHM>. <.>m. ni；吳

8、卫民0974-),男安徽黄山人涮教授博士，研究方向为电力电产裝置及其控制 4血1 )wmwu®slunlu. http：/h ww sniujouniaL cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术550引言冃前，以大容量电解电容作为苴流平波环节的 电压源型电力电了变流器仍然山电力电子变流器的 主流地位大容量电解电容稳定的匸作处命一般只 有510aDJ,这与高寿命、高频、高效率及高性价比

9、的逆变器技术发展趋势相违背因此，如何在保持原 仃电力电子装置控制品质的询提下仃效减少直流平 波电容容赧受到越來越多业界人士的关注.降低迫 容数值的讥接效应就是増加变流器输入电爪的波 动，传统的电力电子系统能通过闭环控制降低來门 直流母线电压波动带來的干扰.°】尽管如此，还是 何较人部分的输入扰动对系统的输出构成彩响，因 此需耍加入两馈控制抑制输入扰动叩.常用的前馈控制方式冇线性前馈控制和非线性 前馈控制随看现代控制理论的发展，门适应能力较 强的非线杵前馈控制正被越來越多地应用.3】其 中，文献卩采用载波晅构技术对多电平逆变器进 行询馈控制，效果较好；文献8來用调制波巫构技 术进行前馈

10、控制，并进彳了仿真验证本文以单相半桥 逆变器为例，分别对理想情况和带输入扰动情况的 正弦脉宽调制 Sinusoidal Pulse Width Modulation* SPWM)波进行双匝傅里叶变换以及频谱分析并以 栈波車构技术为例阐述非线性询馈控制的理论依据 和实施手段，进行仿真验证.1直流母线电床恒定时SPWM波的 谐波分析图1为单相半桥电压源型逆变器，山直流源 匕+沐，上桥?I %和下桥醇金构成，并采用三角 波作为我波的门然采样法生成SPWM波，输出电丿k 为端点“与z之间的电斥.图2为产生S1>VM波的示意图.图2 SPWM波的计算模式其中，调制波征弦波)/和载波角波)- 的数学

11、农达式分别见式Q)和2).= t/Mcos ioj 十仇)1 )式中:表示调制波的幅值；叫和0.,分别表示调制 波的角频率和初相位4)http：/wivw smiijouniaJ. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术#4)http：/wivw smiijouniaJ. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishin

12、g House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术#Q)2irA 一 辱 W 3W 2 irk + ?2c22 irk + W u)ct W 2 irk +2c24)http：/wivw smiijouniaJ. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术#4)http：/wivw smiijouniaJ. cn© 1994

13、-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术#式中：S和妙分別农不墩波的福值和角频率.令调制比M = Ut/Ur,x十仇0为载波的初相位)，y e)=叫/十仇，载;波比N =a),/3".为分 析方便，假设仇=兀/2,仇=0.因此，在一个枚波周 期内，有2kp 一 tt W 3W 2Af + ttG)图2中心和见的交点Sb两点)的相位分别为2Ictt -半(1 + M cos coj )和 2kir + 耳(1 +

14、M cos a)J ).当应流母线电斥恒定，即沐=0时，输出电压 %的波形函数可以表示为4)http：/wivw smiijouniaJ. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术#/ ) W x < 2Af + -y- 1 + M cos a)J )打dr2kp G + M cos 3?COS (Oj )或2kir 一 n W 兀 < 2kir 一号 Q + M2Af + -y &l

15、t;1 + M cos u)J ) C x < 2kir + tt设加为相对丁伐波的谐波次数为相对丁调制波的谐波次数则的双重傅里叶A达式为% =寸十2 AgCOS h 3十仇)+ 刼sin h id./ + 仇)+4)http：/wivw smiijouniaJ. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术57hftp：/wn w sniiyounial. cn© 1994-2011

16、 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术#S UmoCOM hi + 伏)+ sin 伽伉f +伏)+ m« IS X 4wlcos fe? 3/ +仇）+"+ 仇）+ sin bi 3/ +仇）+ “ 3/ 十仇）in = I n = - xto?e0）将各项系数写成复数形式，即为6)H窗/心 += Af<k<ly = -42tt J J2tti)< “ t «M(|I )f J (

17、Lv<ly -就i"耳1 * W cw）丁足,求得的傅里叶农达式为6)式中:P, On )=P2 in ui )=空=VtkM cos 3/十仇）十Y片仙）cos仙3J +仇）+X 2P2 hnn )cos in2 I /| X - »110)("煜.M)sin (m 号)；7)sin( (n+n)于)因此，备次谐波的幅值为400.0300.0W 200.0 亠100.0om=0»n=1P. fn)m工0=00m=0» n工1P2 in n )mH 0mHO5 = */kHz图4 l/=0. 9时在Saber 2006中的仿真频谱8)2

18、直流母线电压引入波动后SPWM 波的谐波分析假定：开关频率Z = 250 Hz,载波比N = g /（o（. =51,调制比V/=0.9.当貢 流母线电斥无波动时，频谱分布见图3,仿真频谱见 图4.由图可知，数学分析与仿真相吻合，无低频谐 波分量.550 Hz,基波频率人=图3 W=o. 9时j的频谱分布i.o0.8312灯宋名壬；7138仁 + 叽=/J g J w2.1母线电压有波动时，未加前馈环节在电压源型逆变装宣中，母线上通常会并联一 个大容暈平波电容根据功率平衡的原则，假设输入 电流恒定，易得直流母线电床含有角频率为2如的 纹波电斥.为分析方便，假设该纹波电斥为uA. §&

19、quot;） = （/ cos Qy + ©）Q ）式中环为纹波电床初相位，范I科为0。90°他里 忽略负我功率因数的限制）：心为纹波电压的幅值: y e） = 3.根据式6）,在母线电压存在波动心时，系数 的复数形式为耳 Q 4-.W% + 沐 $） J w" «皿"-耳 I 4- W cu»I -f If ru* J%十和知) f eAWlrdy 一占 J2tt% +£) J¥ < W rm «u(ll)J (kdyQO)hftp：/wn w sniiyounial. cn© 1994

20、-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术59特别地，卅加=0时，即n次谐波系数的复数形将式9）代入式Q0）和Q1）,即可得f流母线hftp：/wn w sniiyounial. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术#hft

21、p：/wn w sniiyounial. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术#式可表示为十 jB.° j + "上 $)M cos ye- dy电压存在波动几时的逆变桥输出电压的双巫傅（1） 里叶表达式+仇 + u） + （yt/np'/jcos Gwj 十仇 + 十Q2)Phi 匕t + 仇）+ n 十仇）+Q）式中hftp：/wn w sniiyounial.

22、 cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术#hftp：/wn w sniiyounial. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术#因此，各次谐波的邮值为m = 0»/i = 1 m =

23、0> 71 =3 SPOT吹40500050 1 Ihftp：/wn w sniiyounial. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术61图6 .1/=0.9 n母线电压 有波动时在Saber 2006屮的仿真频诰霍镒150100如p舫皿4),0,由图5的频谱分布和图6的仿真频谱可看出, 在直流母线电床存在正弦波动时，逆变器输出端电 压%存在直流侧扰动电爪几次频率±50 Hz

24、边频 带谐波，说明在开环系统中，EL流母线电压的波动会 近乎如实地収针对低频波动）反映到逆变桥的输 出端.图5 V =0.9n母线电 压有波动时% 的频谱分布2.2直流母线电爪有波动时，加入前馈环廿从小信号建模的角度出发分析输出电丿E对输 入电压传递函数的开环频域关系，见图7.由图可 知系统对输入电爪的低频扰动抑制能力很羞这不 仅给滤波器的设计带來闲难，而IL还严乖影响系统 的效率虽然在闭环系统中系统对母线电压低频扰 动的抑制能力仃所加强（W图8 ）,但这是在开关频 率较快、闭环系统截止频率足够高、系统反应速度较 快的前提下实现的，通常号系统的稳定裕度相矛盾. 此外，根据文献10推导出的母线电

25、斥扰动公式可 知,母线电爪扰动值与系统输出功率相关，即与系统 各状态变帚仃耦介,这将增加系统模型的 舷，给系 统的设计带來困难.图7开坏系统抗输入扰动 图8双闭环系统抗输入 能力的S域分析扰动能力的S域分析冈此，希望能在加入闭环控制之前有效抑制I 流母线电压波动带来的干扰.由式6）对输出电压 "“;的傅里叶表达式系数的分析过程可知，若能利用 菲线性控制思想将调制比M设定为与采样得到的 直流例电压波动相关的可变因便可通过解耦消 除波动带來的谐波成分.通常的做法有两种：我波匝 构和澗制波币:构这里，根据文献D 对传统的线性 载波进行巫构，并转化为归一化的非线性a波思想 进行前馈控制，原理

26、见图9.图中利用乘法器和除法 器消除母线电爪的波动对系统的影响，人表示Fi流 柑线电斥的平均值，一般为采样后经过低通滤波器镯中未标出）滤波后的输出.图9克流母线电压前馈控制原理图图10为前馈环节对我波注入直流母线电斥中 的波动成分后的非线性载波波形.此处，调制比不再恒定，可农示为yM1 = M-14)你+ %式中：直流母线电压的波动让即为式9)所示的波 动电压;人为口流母线电压的平均值同理，将式Q0)中调制比M替换为W，可紂加入前馈控制后系数的复数形式.特别地，当皿=0时，即“次谐波« M% = vjf cos ioj + <()+ X S Pi 仙,AV 2 | Z1 2 9

27、6式中系数的复数形式可农示为仏 + j%.二丄 f F.4f cos yex> <ly Q5 )TT J比较式和订知，加入前馈控制后逆变 器输出电压的低次谐波得到消除因此,推导出 母线电Jk心在波动必时，加入IW馈控制后 j的双 重傅里叶表达式为，e)cos hi i)vt + 曳)+ n u)J + 仇)+ £)<16 )hftp：/wn w sniiyounial. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，

28、等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术#hftp：/wn w sniiyounial. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术#hftp：/wn w sniiyounial. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆

29、变器非线性前馈控制技术#hftp：/wn w sniiyounial. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术#oo.eeooo.oo.023 46 69 92 115 I3K 161 1X4 2()7 230Wilt，次谐波幅值为m = 09n = IS = o.m = 0»n1Q7 )l严i)» m # 0图II为苴流母线电丿E有波动时,加入时馈控制 后的频谱分布图12为

30、母线电压怛定与母线电床灯 波动时加入前馈控制两种情况下的加权总谐波 畸变随调制比耐的变化.从图中可以看出，'勺波动 试的初相位少和调制比W不同时，采用载波币:构前 馈控制技术的输出电丿k加权总谐波畸变与瓦流侧无 波动时非常接近.即山数7分析可知，采丿披波巫构 前馈控制技术可以仃效抑制让流母线电压波动带来 的干扰.由仿真频谱 傀图13)与图11的比较可知, 数学分析与仿其相吻合，无直流侧扰动电爪云次频 率±50 Hz边频带谐波.图11母线电压何波动吋加入瀉馈控制的频谱分布0 0 1 02 0.3 04 05 06 0.7 08 0.9 10 调列比M-o.-o.-o.-o.d图

31、13母线电压仃波动时加入前馈控制后的在Saber 2(X)6中的仿貞频谱3采用载波匝构的前馈控制仿真结果 及分析根据载波匝构前馈控制的基本思路，建立单相 半桥电爪源型逆变器的仿真电路，并在Saber 2006 仿其平台上进行仿真验证.仿其已知条件为：直流母 线电出半均值几5 =400 ,母线电压波动量轴值 为30 V,逆变器输出侧滤波电感A =4 mH，滤波电 容C=50 jjlF,额定阻性负载为R = 10 Q,其他条件 同前述.仿其中分别建立单相半桥逆变器的开环模 型、外电压内电感电流的双闭环模熨和仅加入前馈 环的前馈闭环模型,仿真波形见图14 16图中：匕 表示直流母线电压恒定时的交流输

32、出电压;1“ .表示 口流母线电压心在波动时的输出“心农示仃波动时 加入前馈控制的输til:匕.衣示存在波动的II流母线 电压./ / mshftp：/wn w sniiyounial. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术#图1211流母线电压恒定与冇波动时加入询馈控制两种惜况卜J的加权总谐波圖变的绝对误绘曲线IV1 14系统丿:坏时输出电压仿真波形比较hftp：/wn w sniiyoun

33、ial. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术#打ms图15系统XX闭环控制时输出电斥仿真波形比较r/ire图16系统加入前馈控制时输出电压仿真波形比较由图14和15的比较可知，系统肖流母线电用 有波动时，通过采用电压电流双闭环可降低该波动 带來的干扰，但这是建立在系统反应快速的前提下 的：当釆用数字控制时，由于采样的延时及系统本身 存在的滞厉，这种降低输入波动彩响的作用会明显 削弱.山图16

34、可知，采用我波重构的前馈控制技术 抑制作用明显II.不受闭环系统反应速度的影响，能 够很好地抑制系统输入波动带來的影响，但为J'采 样得到直流母线电压的平均值而进行的滤波会便系 统的启动变得缓慢.4结束语从数学分析的角度出发，利用双巫傅里叶变换 洋尽地分析逆变系统在n流母线电压恒定和存在波 动两种情况下逆变器输出电斥的谐波分布及仿 真频谱根据文献7提出的我波币:构前馈控制思 想，对其输出电爪5进行傅里叶分析.在数7分析 介理的肚础上进行的仿真脸证说明：采用找波重构 前馈控制技术在不依赖系统反应速度的前提下能够 很好地解决K流母线电压波动带来的干扰，这在一 定程度上可分担母线平波电容的“

35、解耦作用”，便母 线电容值即以减小，即在降低逆变器体积的同时，也 可以提高逆变器的使用寿命.http ：/www ainujounial. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术#http ：/www ainujounial. cn© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期何远彬，等：单相SPW M逆变器非线性前馈控制技术63参考文献：I MADDl LA S K BA1J)A» J C Lifrtimr <»f rlrctmlytH* cupat ilors in rcgfurrati.r in<hicti<>n iiMitorC / IEEE 36th PESC. 2005： 153- 159.2徐德鸿.电力电子系统建模及控制ML北京:机械工业出版ft. 2005: 3-5.【3胡寿松自动控制原理【M4版.