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一种提高中频逆变器外特性的谐振控制器建模与带宽设计

更新时间：2019-12-24 20:29:04 大小：2M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：中频逆变器 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

外特性是衡量逆变器性能的重要指标,代表了逆变器输出电压受负载的影响程度,性能优良的逆变器通常具有较硬的外特性,其空载到满载过程中输出电压的变化量较小.目前谐振控制器法是提高双环控制逆变器系统较为可靠的方法.但是该方案应用于400Hz中频逆变器时,会在空载或轻载下在低频段产生相移,造成相频曲线穿越-π,同时因为中频逆变器的谐振控制器中心频率往往接近截止频率,谐振控制器的相位移设计不当会影响系统开环传递函数的相位裕度,造成系统的不稳定.本文通过对包含谐振控制器的三相四桥臂逆变器在全负载状态下的小信号建模,结合经典控制理论,分析了系统相频曲线低频段穿越-π时稳定性判断条件,提出了一套应用于中频逆变器的谐振控制器设计依据.据此设计谐振控制器,逆变器在提高外特性的同时在全负载范围获得了良好的稳定性能和动态性能.最后通过仿真和实验验证了理论分析的正确性.

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V01．30

!!!：

No· 3

!!竺

电工技术学报

2015年2月

笙!!堂箜!塑

!垦垒望!垒呈三!皇些!呈!呈坚!坚垒!!呈呈三呈皇三!呈里!!竺垒兰!呈呈!呈!!

==================；=====================================；；；；；；i————————————————————————一一

一种提高中频逆变器外特性的

谐振控制器建模与带宽设计

翔

邓

陈轶涵龚春英

(南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室

210016)

南京

摘要外特性是衡量逆变器性能的重要指标，代表了逆变器输出电压受负载的影响程度，性

能优良的逆变器通常具有较硬的外特性，其空载到满载过程中输出电压的变化量较小。目前谐振

控制器法是提高双环控制逆变器系统较为可靠的方法。但是该方案应用于400Hz中频逆变器时，

会在空载或轻载下在低频段产生相移，造成相频曲线穿越一兀，同时因为中频逆变器的谐振控制器

中心频率往往接近截止频率，谐振控制器的相位移设计不当会影响系统开环传递函数的相位裕度，

造成系统的不稳定。本文通过对包含谐振控制器的三相四桥臂逆变器在全负载状态下的小信号建

模，结合经典控制理论，分析了系统相频曲线低频段穿越一兀时稳定性判断条件，提出了一套应

用于中频逆变器的谐振控制器设计依据。据此设计谐振控制器，逆变器在提高外特性的同时在全

负载范围获得了良好的稳定性能和动态性能。最后通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。

自激振荡

小信号建模奈氏判据

谐振控制器

关键词：三相四桥臂逆变器

中图分类号：TM614：TM76

Resonant Controller

Bandwith

and

Design

ofMedium

Frequency

Modeling

for

Improving

Optimization

Characteristic

Inverter

External

Chen砑向臼门

DengXiang

Gong Chunying

Generation and Power

Conversion

210016 China)

ofNew_Energy

KeyLaboratory

(Jiangsu

andAstronautics

ofAeronautics

Nanjing

University

Nanjing

that

for inverter

is an

index

important

represent

External characteristic

performance．It

Abstract

inverter which has excellent

characteristic of

little when load

effects of the load．External

of inverter

the

output

to full·

increase from

empty

voltage changes

method to

Derfbrmance

strong，and output

always

of inverter· But

external characteristic

controller is efficient

Until now resonant

improve

lead to

will

in 400Hz medium

inverter，it

frequency

phase frequency

of resonant

frequency

resonant controller

after

using

pass

centre

shift

low

influence．Considering

curve

frequency phase

through一兀by

will cause inverter

shift of resonant controller

transfer function．This

^cut．offfrequency

is close to

controller

inverter，phase

set

small

paper

with

influence

unstable bv

margin

four

system open-loop

inverter

phase

in full

working

load，combines

principle

of three

phase

bridge

signal modeling

automatic

when

curve

passes th。0ugn

condition

phase frequency

stability

control，analyze judgement

inverter

inverter．The

controller used in medium

of resonant

and

steady

frequency

offer

一兀，and

design

principle

resonant controller

state

design

usmg

excellent

performance by

gain

performance

dynamic

theoretical

is correct·

analysis

results

and

proved

experiment

principle．Simulation

modeling，Nye’s

controller，small signal

four

inverter，resonant

leg

bridge

Keywords：Three

oscillation

criterion，self excited

改稿日期2013—04—07

收稿日期2012．12．10

万方数据

第30卷第3期

陈轶涵等一种提高中频逆变器外特性的谐振控制器建模与带宽设计

变器的直流电压利用率。三相四桥臂逆变器拓扑结

构如图1所示。

引言

为了给机载交流负载供电，需要研发具备电气

隔离能力的航空静止变流器将360～800Hz的宽变

频交流电和270V高压直流电变换为稳定的400Hz／

115V恒频交流电为交流负载供叫1’21。该类型的中

大功率ASI系统直直变换器通常采用能够实现电气

隔离的高频DC．DC变换器得到稳定的直流母线电

压，后级采用逆变器获得恒频交流电。因此后级负

载逆变器的设计直接关系到ASI系统整机的稳定

性、可靠性以及输出波形的质量。

图1 三相四桥臂逆变器拓扑

ofthree

Topology

four

bridge

phase

Fig．1

三相四桥臂逆变器拓扑三相解耦控制，通过添

加第四桥臂为三相零序电流提供了通路，具备带不

文献[10]采用平均开关状态法得到式(1)所示

三相四桥臂逆变器周期平均状态模型。

平衡负载能力。同时文献【3，4】通过三次谐波注入方

法提高直流电压利用率，降低主功率管的电压应力，

减小损耗。基于上述优势，三相四桥臂广泛应用于

航空电源系统作为ASI的逆变级。

警出

：扣一三、

瓦

』5

三

文献[5，61证明当逆变器功率提高时，传统双环

控制系统中电压调节器和电流调节器的增益有限，

华：却五一去(吨

‘。=dT(屯)五

因此系统稳压精度往往不够高导致随着负载增加输

出电压值低于额定输出电压。外特性是衡量逆变器

性能的重要指标【71。文献[8]采用了一种负载电流补

偿的方法提高逆变器外特性。但是该方法引入了负

载电流反馈信号，当正反馈信号大于电感电流负反

馈信号时，电流环将变成正反馈，从而影响逆变器

的稳定性，同时负载电流的反馈增加控制电路的复

根据式(1)可以得到三相四桥臂逆变器的开关

周期平均模型等效电路如图2所示。通过开关周期

平均模型，能够等效三相四桥臂电路的每一相都是

独立的，相互之间不存在耦合关系，可以把三相四

桥臂逆变器解耦为三个独立工作的全桥逆变器，三

个逆变器输出电压相位互差120。。因此对三相四

桥臂逆变器的小信号建模，可以分解为对独立的单

相全桥电路进行建模和分析。

杂性。文献【9】提出了一种在控制环路中添加谐振控

制器的方法，通过提高基波频率处增益的方式提高

系统的稳压精度，在不影响系统的动态性能和效率

的情况下改善了系统的外特性，但是该文献并未考

虑谐振控制器应用于中频逆变器时，因为基波频率

与系统的截止频率往往比较接近，谐振控制器在基

波频率附近会造成相频曲线相位的超前和滞后，影

响相频曲线低频段和截止频率处的相位造成系统稳

定性问题。本文在建立中频三相四桥臂逆变器小信

号模型的基础上，分析谐振控制器的引入对变换器

稳定性的影响，提出一套匹配主电路与环路参数的

谐振控制器设计依据。

(‰ )。

一

(‰ )，

十

(UoB)。

> <

一

}7<

E氐(ILC)L

dAN(，c也E dBw(‰ )L

(‰ )。

啦曲曲

图2三相四桥臂逆变器的开关周期平均模型等效电路

circuit

switch

of three

and four

phase

Fig．2

Equivalent

bridge

diagram

cycle

model

average

中频三相四桥臂逆变器的解耦

3控制策略及其建模

三相四桥臂逆变器拓扑在三相三桥臂逆变器的

基础上增加了一个桥臂，此时第四桥臂为零序电流

提供通路，实现了带不平衡负载的能力【l叭。同时第

四桥臂的引入能够方便的实现三次谐波注入提高逆

根据电力电子变换器的最优控制理论，实现全

状态反馈的系统可以实现动态响应的误差平方积分

指标最小，其为最优控制系统‘11,12]。在开关调节系

万方数据

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