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逆變電源數字控制技術(shù)的應用

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逆變電源數字控制技術(shù)的應用

1逆變電源數字控制技術(shù)的發(fā)展
1.1高性能逆變電源與數字控制技術(shù)
　　隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，對逆變電源的網(wǎng)絡(luò )功能提出了更高的要求，高性能的逆變電源必須滿(mǎn)足：高輸入功率因數，低輸出阻抗；暫態(tài)響應快速，穩態(tài)精度高；穩定性高，效率高，可靠性高；電磁干擾低；網(wǎng)絡(luò )功能完善。要實(shí)現這些功能，離不開(kāi)數字控制技術(shù)。電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量?jì)x
1.2傳統逆變電源控制技術(shù)
1.2.1傳統逆變電源控制技術(shù)的缺點(diǎn)
　　傳統的逆變電源多為模擬控制或者模擬與數字相結合的控制系統。雖然模擬控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但其存在很多固有的缺點(diǎn)：控制電路的元器件比較多，電路復雜，所占的體積較大；靈活性不夠，硬件電路設計好了，控制策略就無(wú)法改變；調試不方便，由于所采用器件特性的差異，致使電源一致性差，且模擬器件的工作點(diǎn)的漂移，導致系統參數的漂移。模擬方式很難實(shí)現逆變電源的并聯(lián)，所以逆變電源數字化控制是發(fā)展的趨勢，是現代逆變電源研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
1.2.2傳統逆變電源控制技術(shù)的改進(jìn)
　　以前為了改善系統的控制性能，通過(guò)模擬、數字(A/D)轉換器，將微處理器與系統相連，在微處理器中實(shí)現數字控制算法，然后通過(guò)輸入、輸出口或脈寬調制口（pulse width modulation,　PWM）發(fā)出開(kāi)關(guān)控制信號。微處理器還能將采集的功率變換裝置工作數據，顯示或傳送至計算機保存。一些控制中所用到的參考值可以存儲在微處理器的存儲器中，并對電路進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。微處理器的使用在很大程度上提高了電路系統的性能，但由于微處理器運算速度的限制，在許多情況下，這種微處理器輔助的電路控制系統仍舊要用到運算放大器等模擬控制元件。近年來(lái)隨著(zhù)大規模集成電路、現代可編程邏輯器件及數字信號處理器(digital signal processor,SP)技術(shù)的發(fā)展，使逆變電源的全數字控制成為現實(shí)。SP能夠實(shí)時(shí)地讀取逆變電源的輸出，并實(shí)時(shí)地計算出PWM輸出值，使得一些先進(jìn)的控制策略應用于逆變電源控制成為可能，從而可對非線(xiàn)性負載動(dòng)態(tài)變化時(shí)產(chǎn)生的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)補償，將輸出諧波達到可以接受的水平。

2逆變電源數字化控制技術(shù)的現狀
2.1逆變電源控制技術(shù)數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化
　　隨著(zhù)電機控制專(zhuān)用SP的出現及其控制理論的普遍發(fā)展，逆變電源控制技術(shù)朝著(zhù)全數字化、智能化及網(wǎng)絡(luò )化的方向發(fā)展，逆變電源的數字控制技術(shù)發(fā)生了一次大飛躍。逆變電源數字化控制的優(yōu)點(diǎn)在于各種控制策略硬件電路基本是一致的，要實(shí)現各種控制策略，無(wú)需變動(dòng)硬件電路，只需修改軟件即可，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，而且可以應用一些新型的復雜控制策略，各電源之間的一致性很好，這樣為逆變電源的進(jìn)一步發(fā)展提供了基礎，而且易組成可靠性高的大規模逆變電源并聯(lián)運行系統。
2.2逆變電源數字化發(fā)展存在的難點(diǎn)
　　數字化是逆變電源發(fā)展的主要方向，但還是需要解決以下一些難題：
　　a)逆變電源輸出要跟蹤的是一個(gè)按正弦規律變化的給定信號，它不同于一般開(kāi)關(guān)電源的常值控制。在閉環(huán)控制下，給定信號與反饋信號的時(shí)間差就體現為明顯的相位差，這種相位差與負載是相關(guān)的，這就給控制器的設計帶來(lái)了困難。
　　b)逆變電源輸出濾波器對系統的模型影響很大，輸入電壓的波動(dòng)幅值和負載的性質(zhì)，大小的變化范圍往往比較大，這些都增加了控制對象的復雜性，使得控制對象模型的高階性、不確定性、非線(xiàn)性顯著(zhù)增加。
　　c)對于數字式PWM，都存在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的失控區間，一般是在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)始或上個(gè)周期之末來(lái)確定本次脈沖的寬度，即使這時(shí)系統發(fā)生了變化，也只能在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期對脈沖寬度做出調整，所以現在逆變電源的數字化控制引起了廣泛的關(guān)注。
3逆變電源數字化控制技術(shù)
　　逆變電源數字控制方法成為當今電源研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，與數字化相對應，各種各樣的離散控制方法也紛紛涌現，包括數字比例-積分-微分（PI）調節器控制、無(wú)差拍控制、數字滑變結構控制、模糊控制以及各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制等，從而有力地推動(dòng)逆變電源控制技術(shù)的發(fā)展。
3.1數字PI控制
　　數字PI控制以參數簡(jiǎn)單、易整定等特點(diǎn)得到了廣泛應用。逆變器采用模擬數字PI控制時(shí)，如果只是輸出電壓的瞬時(shí)值反饋，其動(dòng)態(tài)性能和非線(xiàn)性負載時(shí)的性能不會(huì )令人滿(mǎn)意；如果是輸出濾波電感或輸出濾波電容的電流瞬時(shí)值引入反饋，其性能將得到較大改進(jìn)，然而，龐大的模擬控制電路使控制系統的可靠性下降，調試復雜，不易于整定。數字信號處理芯片的出現使這個(gè)問(wèn)題得以迅速解決，如今各種補償措施及控制方式可以很方便地應用于逆變電源的數字PI控制中，控制器參數修改方便，調試簡(jiǎn)單。
　　但是，數字PI控制算法應用到逆變電源的控制中，不可避免地產(chǎn)生了一些局限性：一方面是系統的采樣量化誤差，降低了算法的分辨率，使得PI調節器的精度變差；另一方面，采樣和計算延時(shí)使被控系統成為一個(gè)具有純時(shí)間滯后的系統，造成PI控制器設計困難，穩定性減小，隨著(zhù)高速SP及高速A/的發(fā)展，數字PI控制技術(shù)在逆變電源的控制中會(huì )有進(jìn)一步的應用。
3.2滑模變結構控制
　　滑模變結構控制（slidingmode variable structure control，SVSC）最顯著(zhù)的特點(diǎn)是對參數變化和外部擾動(dòng)不敏感，即魯棒性強，加上其固有的開(kāi)關(guān)特性，因此非常適用于閉環(huán)反饋控制的電能變換器。
　　基于微處理器的離散滑�？刂剖鼓孀兤鬏敵霾ㄐ斡休^好的暫態(tài)響應，但系統的穩態(tài)性能不是很理想。具有前饋控制的離散滑�？刂葡到y[1]，暫態(tài)性能和穩態(tài)精度得到提高(見(jiàn)圖1)，但如果系統過(guò)載時(shí)，滑�？刂破鞯呢摀鷮⒆兊梅浅Ｖ�。自矯正離散滑�？刂瓶梢越鉀Q這個(gè)問(wèn)題[2]。
　　逆變器的控制器由參數自適應的線(xiàn)性前饋控制器和非線(xiàn)性滑�？刂破鹘M成（見(jiàn)圖2），滑�？刂破鲀H在負載導致輸出電壓變化時(shí)產(chǎn)生控制力，穩態(tài)的控制力主要由前饋控制器提供，滑�？刂破鞯那袚Q面（超平面）是根據優(yōu)化準則進(jìn)行設計的。
3.3無(wú)差拍控制
　　無(wú)差拍控制（deadbeat control）是一種基于電路方程的控制方式，其控制的基本思想是將輸出正弦參考波等間隔地劃分為若干個(gè)取樣周期，根據電路在每一取樣周期的起始值，用電路理論算出關(guān)于取樣周期中心對稱(chēng)的方波脈沖作用時(shí)，負載輸出在取樣周期末尾時(shí)的值。這個(gè)輸出值的大小，與方波脈沖的極性與寬度有關(guān)，適當控制方波脈沖的極性與寬度，就能使負載上的輸出在取樣周期的末后與輸出參考波形相重合。不斷調整每一取樣周期內方波脈沖的極性與寬度，就能在負載上獲得諧波失真小的輸出。因此，即使在很低的開(kāi)關(guān)頻率下，無(wú)差拍控制也能夠保證輸出波形的質(zhì)量，這是其它控制方法所不能做到的,但是，其也有局限性：由于采樣和計算時(shí)間的延遲，輸出脈沖的占空比受到很大限制；對于系統參數的變化反應靈敏，如電源電壓波動(dòng)、負載變動(dòng)，系統的魯棒性差。
　　對于采樣和計算延時(shí)的影響，一種方法是通過(guò)修改輸出脈沖方式的方法來(lái)減小計算延時(shí)造成的占空比局限；另一種方法是通過(guò)狀態(tài)觀(guān)測器對系統狀態(tài)提前進(jìn)行預測，用觀(guān)測值替代實(shí)際值進(jìn)行控制，從而避免采樣和計算延時(shí)對系統的影響。為了提高系統的魯棒性，一種方法是采用負載電流預測方法來(lái)減小負載變動(dòng)對電源輸出的影響，但實(shí)際改善的程度有限；另一種可行的方法是對系統參數進(jìn)行在線(xiàn)辨識，從而實(shí)時(shí)確定控制器參數，以達到良好的控制效果。但是，在線(xiàn)系統辨識的計算復雜度和存儲量都非常大，一般的微處理器很難在很短的時(shí)間內完成，因此實(shí)現的可能性不大，所以還沒(méi)有一種比較好的方法來(lái)解決無(wú)差拍控制魯棒性差的問(wèn)題。正是由于無(wú)差拍控制在電源控制中的不足及局限性到目前還難以解決，使得無(wú)差拍控制在工業(yè)界的應用還有待不斷的深入研究。
3.4重復控制
　　逆變器采用重復控制（repetitive control）是為了克服整流型非線(xiàn)性負載引起的輸出波形周期性的畸變，它通常與其他PWM控制方式相結合。重復控制的思想是假定前一周期出現的基波波形將在下一基波周期的同一時(shí)間重復出現，控制器根據給定信號和反饋信號的誤差來(lái)確定所需的校正信號，然后在下一個(gè)基波周期的同一時(shí)間將此信號疊加到原控制信號上，以消除后面各周期中將出現的重復畸變。
　　重復控制系統如圖3(a),(b)所示[3-4]。圖3中Ur為給定電壓信號；Ud為電壓擾動(dòng)信號；P（z）為控制對象；Uo為電壓的實(shí)際輸出量。周期延遲環(huán)節點(diǎn)量（Z－N）對控制器進(jìn)行超前相位補償，補償器的補償電容量C（z）提供相位補償和幅值補償，以保證控制系統的穩定性，并改善輸出波形。
　　重復控制使系統獲得了很好的靜態(tài)性能，且易于實(shí)現，但該技術(shù)卻不能夠獲得好的動(dòng)態(tài)性能。自適應重復控制方案成功地應用于逆變器的控制中。
　　模糊控制（fuzzy control）能夠在準確性和簡(jiǎn)潔性之間取得平衡，有效地對復雜的電力電子系統做出判斷和處理。將模糊控制應用于逆變器，具有如下優(yōu)點(diǎn):模糊控制器的設計不需被控對象的精確數學(xué)模型,并且有較強的魯棒性和自適應性；查找模糊控制表只需占有處理器很少的時(shí)間，可采用較高采樣率來(lái)補償模糊規則和實(shí)際經(jīng)驗的偏差。
　　將輸出電壓和濾波電感電流反饋，即電壓誤差和電感電流作為輸入模糊變量，可以實(shí)現逆變器的模糊控制，整流性負載時(shí)，其輸出電壓總諧波失真（total harmonic distortion,TH）小于5％，將模糊控制與無(wú)差拍控制相結合，可用來(lái)補償由于非線(xiàn)性負載導致的電壓降落，其系統如圖4所示[5-6]。模糊控制從模仿人的思維外特性入手，模仿人的模糊信息處理能力。它對系統的控制是以人的經(jīng)驗為依據的，而人的經(jīng)驗正是反映人在思維過(guò)程中的判斷、推理、歸納。理論上已經(jīng)證明，模糊控制可以任意精度逼近任何線(xiàn)性函數，但受到當前技術(shù)水平的限制，模糊變量的分檔和模糊規則都受到一定的限制，隸屬函數的確定還沒(méi)有統一的理論指導，帶有一定的人為因素，因此，模糊控制的精度有待于進(jìn)一步提高。
　　此外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制是一種使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的控制方法。因為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是建立在強有力的數學(xué)基礎上，所以它有很大的潛力，這個(gè)數學(xué)基礎包括各種各樣的已被充分理解的數學(xué)工具。在無(wú)模型自適應控制器中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )也是一個(gè)重要組成部分。但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現技術(shù)沒(méi)有突破，還沒(méi)有成功地應用于逆變電源的控制中。


4結論
　　基于微處理器、SP的數字控制技術(shù)重復性強、耐用性強、適應性強等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，還會(huì )有更多、更適合逆變電源控制的智能控制策略。逆變電源的各種控制策略有其所長(cháng)，有其所短。因而各種控制策略相互取長(cháng)，集成為復合控制器，將在很大程度上簡(jiǎn)化控制，提高可靠性，使控制日臻完美，更好地滿(mǎn)足逆變電源的控制要求。
發(fā)布人：2012/1/7 10:52:00583 發(fā)布時(shí)間：2012/1/7 10:52:00 此新聞已被瀏覽:583次