大容量400Hz中频逆变电源波形质量控制技术研究

华中科技大学

博士学位论文

大容量400Hz 中频逆变电源波形质量控制技术研究

姓名：胡文华

申请学位级别：博士

专业：电力电子与电力传动

指导教师：马伟明

2010-05-24

摘要

信息技术的进步推动了CVCF-SPWM逆变电源的迅速发展。由于大量非线性负载的存在以及电力电子电路的自身非线性的特性，会使逆变电源的输出电压波形发生畸变。逆变器是逆变电源的核心，其必须具备输出高质量电压波形的能力。因此，如何保证逆变器同时具有良好的稳态性能和快速的动态响应成为研究的热点。本文致力于大容量400Hz中频电压型SPWM逆变电源的瞬时波形控制技术研究，在保证逆变电源系统静态性能的基础上，提高系统的动态响应速度。本文从实际应用出发，考虑到工程应用中的实际因素的影响，对基于瞬时值反馈的逆变电源波形质量控制技术作了重点研究，总结出一套适用于大容量400Hz中频逆变电源系统的波形质量控制策略，并给出了相应的定量设计方法。

针对大容量中频逆变电源的特点和要求，本文首先分析了几种拓扑结构的优缺点，分析、计算其谐波含量，给出了一种较简单的基于载波交错调制技术的多电平逆变电源的谐波表达式。然后建立了逆变电源的连续和离散数学模型。根据控制方案的不同特点采用相应的模型，有助于简化对逆变器的分析。分析了逆变电源系统谐波畸变的主要原因：包括死区等非线性因素和非线性负载等。

逆变器是一种广义的随动系统，其根本任务就是实现执行机构对交流电压（给定量）的准确跟踪。而普通的PI控制器无法直接实现对交流信号进行无静差的跟踪。根据内模控制原理，引出一种广义积分器——谐振控制器，阐明了静止坐标系下的谐振控制器与正、负序旋转坐标系下的PI控制器的等效性。介绍了谐振控制器的无静差特性、选频特性、不平衡负载控制特性和对单相系统的适用性。

在三相系统中，传统的正、负序旋转坐标变换法可以解决正序分量和负序分量的准确跟踪问题，但其对零序分量还是无能为力，谐振控制器不仅可以解决正序分量和负序分量的跟踪问题，而且对零序分量同样有效，其处理过程也完全相同。本文首次推导出了基于abc坐标系和基于αβ0坐标系的两种形式的谐振控制器。

阐述了积分控制器、旋转坐标变换法+PI控制器、谐振控制器、重复控制器、复

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数积分控制器等的联系与区别，最后，把上述所有的控制器统一到内模原理。

从典型的逆变器波形控制技术出发，本文对瞬时值波形反馈控制技术作了详细的理论分析。参照直流电机双闭环调速系统，对基于连续空间的逆变电源电感电流内环、电压外环和电容电流内环、电压外环两种双环控制结构进行了分析。得出采用电容电流内环优于电感电流内环的结论。针对大容量中频逆变电源开关频率不能过高、载波比较小，延时对系统的稳定性影响较大的特点，着重分析了考虑延时补偿时基于数字控制的电容电流内环反馈的双环控制系统的设计，提出了采用一种广义PI调节器，可以充分保证系统的稳定性、稳态精度和动态性能（包括谐波抑制能力）。由于这种方法的控制器传递函数阶数很高，分析比较困难，可以采用计算机辅助设计，得到其频率特性，使设计简化。

用实验验证了本文所涉及的部分理论分析,对目前应用于多电平逆变器较多的载波移相调制和载波移幅调制技术进行比较和评价。得出在低调制比的情况下，载波移幅调制技术的谐波特性优于载波移相调制技术的结论。给出了30kV A实验小样机系统的软、硬件结构。提出一种基于Matlab/RTW的2H桥组合逆变器目标代码自动生成的方法，并对基于Matlab/RTW的实现、DSP的实现和FPGA+DSP的实现进行了详尽的分析和实验，给出了实验结果。并对上述三种实现方法的优缺点进行了比较。

总之，本文立足于工程实际应用，比较系统地分析了大容量400Hz中频逆变电源的波形质量控制技术和工程设计方法，较全面地分析了现有控制方法，并结合实验研究发展了一种先进的控制方法，获得了良好的控制效果。

关键词：大容量；中频逆变电源；400Hz；电压型逆变器；2H桥组合电路；

波形控制；双环控制；谐振控制器；内模原理；不平衡；载波移相；

Matlab/RTW；DSP；FPGA

II

Abstract

With the information technology advancing, CVCF-SPWM inverter source is developing rapidly. The output voltage waveform will be distortion due to nonlinear load and nonlinear characteristic of power electronics device. Inverter is the core of inverter source and is required with responsibility for high quality output waveform. So, how to guarantee inverter possess good steady-state and dynamic performance is the research hotspot. This dissertation focuses on the research of the instantaneous output waveform technology of high power 400Hz medium frequency voltage source SPWM inverters to improve system dynamic response with nice static characteristics. For practical application consideration and the factor of engineering application take into account at the same time, this paper put emphasis upon waveform control technique of inverter and summarized a set of waveform control strategy for large-capacity 400Hz medium frequency inverter power supply system and gave the corresponding quantitative design method.

Aimed at the characteristics and requirements of high power 400Hz medium frequency of PWM inverter source, first, the advantages and drawbacks of several topology are analysed, the harmonics distortion are calculated and the analytical formula of harmonics which based on carrier phase shifted PWM are deduced. Then, the continuous state-space models and discrete state-space models of inverter source are established. That different model is adopted according to different control scheme is contributed to simplify inverter analysis. The main reasons of harmonic distortion of inverter source, such as dead-time effect, nonlinear load and so on, are analysed.

Inverter is a generalized servo system, its fundamental task is to achieve the accuracy tracking of the AC voltage (given quantity). However, traditionary PI controller can not be achieved directly tracking of AC signals without static error. According to internal model control principle, a generalized integrator, resonant controller, is educed and the equivalence between the stationary frame resonant controller and the positive and the negative sequence rotating coordinate system of the PI controller is illustrated. Non-static-error characteristics, frequency-selective properties, unbalanced load control features and the applicability of single-phase system of the resonant controller are also described in this dissertation.

In the three-phase system, the traditional positive and negative sequence rotating coordinate transformation method can solve the problem of exact tracking of the positive and the negative sequence components, but it is helpless with the zero-sequence component. However, resonant controller can not only solve the problem of exact tracking of the positive and the negative sequence components, but also deal with the zero sequence components, moreover, their processes are exactly the same. This article deduced two forms of resonant controller which based on the abc coordinate and the αβ0 coordinate for the first time.

This paper described the relationship and the difference among the integral controller, III

the rotating coordinate transformation method+PI controller, the resonant controller and the repetitive controller, etc, and finally put all the controllers above into the internal model principle.

Starting from typical waveform control technology of the inverter, this paper gave a detailed theoretical analysis of the waveform instantaneous value feedback technology. According to DC motor double-loop speed control system, two double loop styles of inverter power supply, which are inductor current inner loop, voltage outer loop and capacitive current inner loop, voltage outer loop, are analyzed and compared and acquired the conclusion that using capacitor current inner loop is superior to using inductor current inner loop. For large-capacity medium frequency inverter, device switching frequency can not be too high, the frequency modulation index is relatively small, delay is a greater impact on the stability of the system, this dissertation put emphasis upon analyzed the digital-controlled double-loop, which is capacitor current inner loop, voltage outer loop, feedback control system design considering delay compensation. A generalized PI regulator(resonant controller) is proposed and the system stability, steady-state accuracy and dynamic performance (including the harmonic suppression capacity) can be guaranteed. Because of high-order the number of transfer function of the controller of this method, analysis is too difficult to be carried out, so, computer-aided design is used and simplify the design.

Some of the theoretical analysis of this article are verified by the experimental. Carrier phase-shifted modulation technique and carrier voltage-shifted modulation technique are compared and evaluated, and a conclusion that carrier voltage-shifted PWM is superior to carrier phase-shifted PWM under low amplitude modulation index for harmonics distortion consideration is acquired. The software and hardware architecture of a 30kV A prototype are given. An embedded code generation method based on Matlab/RTW is proposed in a cascaded two H-bridge inverter system, and a detailed analysis and experiments based on Matlab/RTW implementation, DSP implementation, and FPGA + DSP implementation are given and compared as well.

In brief, a more systematic analysis of the high power 400Hz mediun frequency inverter waveform quality control techniques and a engineering design methods based on practical engineering applications are carried out in this article. Combined with experimental research and a more comprehensive analysis of existing control methods, an advanced control method is developed and a good control effect is obtained.

Keywords: High Power; Medium Frequency Inverter Source; 400Hz; VSI; Two H-Bridge Assembled Topology; Waveform Control; Dual Loop Control; Resonant

Control; Internal Model Principle; Unbalanced; Carrier Phase Shift;

Matlab/RTW; DSP; FPGA;

IV

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。

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保密□，在_____年解密后适用本授权书。

本论文属于

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1 绪论

本文的研究对象是大容量（三相300kV A级）400Hz中频逆变电源，这种逆变电源与普通的逆变电源相同的是：都是利用电能变换技术将市电或者电池等电能转换成用户所需要的二次电能的系统和装置；不同的是：中频逆变电源输出电压的频率为400Hz。由于DC/AC变换器（逆变器）的控制技术是整个逆变电源的核心技术，所以本文主要致力于其中逆变器输出波形质量控制技术的研究。

1.1 课题背景及研究意义

在大型舰船上，雷达、声纳、火控系统、舰载飞机服务系统等装置都需要供电系统能提供高质量、高可靠性的400Hz中频交流电源输出，这对于大型舰船的正常工作，保证其作战性能至关重要。由于大型舰船上都可能存在大量的舰载机，所以它们所需的中频电源的容量也非常大，一般都需达到MW级。如美国“切尔西”号巡洋舰上就采用了三台200KW、400Hz的中频发电机组作为舰上中频电源；美国海军现役的“小鹰号”航母上就装备了一台600KW、1000V、400Hz中频汽轮发电机组，两台300KW、450V、400Hz电动中频发电机组，两台100KW电动发电机组以及为特殊需要提供的六台60KW、三台10KW、六台5KW、400Hz电动中频发电机组；美国的“美洲”号和“星座”号航母上也分别安装有4台300kW/400Hz和2台750kW/400Hz中频发电机组。

400Hz中频电源一般有两种产生方式，旋转电机式和静止式。旋转电机式，顾名思义，是采用交流旋转发电机组来产生所需的400Hz交流电；而静止式则是采用基于现代电力电子开关器件的电力电子变换器来产生所需的400Hz交流电。目前，中频发电机组一般采用的是直流电动机——交流发电机的供电形式，电能变换效率比较低，同时还具有体积、重量和噪音大，维修率高的缺点；而基于现代电力电子技术的静止式中频电源装置则具有电能变换效率高，体积、重量、噪音相对较小，可

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靠性比较高的优点。此外，由于半导体开关的开关频率比较高，因此静止式逆变电源具有良好的动态调节性能，这是旋转式中频发电机组无法企及的。因此，在国内外，不管是军事还是民用领域中，采用静止式电力电子中频逆变电源取代旋转式中频发电机组已成为不可逆转的趋势。

中频逆变电源供电系统已经成为各国海军新一代战舰中频供电的发展方向，研究并解决构建大容量中频逆变电源系统所需的关键技术是保障大型舰船大量舰载机、武备系统、观通导航系统和作战情报指挥系统供电安全、可靠、连续的保证。随着我国海军发展的需要，开展大容量中频逆变电源系统的关键技术的研究是当前十分迫切的课题，具有重要的军事意义和价值。同时，该技术也可以应用于航空、航天中频电源系统；高速交流电机驱动；高性能UPS及大型服务器电源；飞机服务与地面支持电源系统等军用和民用场合，具有非常广泛的应用前景。

1.2 中频电源与工频电源的区别

中频电源与工频电源的主要区别（即特殊性）就在于它们输出的交流电压频率不同，逆变器输出基波频率400Hz与输出50Hz相比较，在控制上要困难得多。主要体现在：

（1）相同开关周期下，一个基波周期内，中频逆变器输出的电压脉冲数是50Hz输出时的1/8。而开关频率受各种因素的制约不能做得太高，因此一个基波周期内输出的波头数就很少了。比如当开关频率为4kHz时，一个基波周期内的输出波头数只有10个。这不仅会导致输出电压谐波含量的增加，而且使得控制速度变慢，增大调节器设计的难度；

（2）数字控制中，采样、计算、控制等带来延时的影响变大。由于这些原因造成的延时一般只取决于硬件、开关频率、采样频率以及代码的执行时间，因此延时量与输出频率没有什么关系。而相同的延时，对于400Hz系统，其引起的相位滞后是50Hz 系统的8倍。大的延迟对于系统控制的稳定性是很不利的；

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（3）输出包含的三次谐波频率为1.2kHz，五次谐波频率为2kHz，七次谐波频率为2.8kHz。这么高的频率，系统通过闭环控制来抑制是比较困难的。

1.3 国内外研究现状

现有静止式中频逆变电源从执行器件上来分类，可以分为晶闸管中频电源以及IGBT中频电源[1-6]。最先出现的静止式中频电源是晶闸管中频电源，90年初，随着电力电子器件的发展以及数控电路与计算机智能芯片的长足发展，使得晶闸管中频电源快速发展，在国内如浙江浙大三伊、上海华一电源和锦州三特等先后推出了可控硅中频电源。这种中频电源具有控制精度高、输出电压波形接近正弦波形和射频干扰小等优点。但由于晶闸管属于电流驱动型半控器件，即只能控制其导通，一旦导通即处于失控状态，必须采用特殊的方法和线路才能使其关断。加之晶闸管属相控器件，开关频率低，由它构成的电源装置不仅输出电压、电流谐波含量大，动态响应慢，而且不管带何种类型的负载它都要从供电电源端吸收滞后的无功功率，同时还给为其供电的电网造成谐波污染，再加上其复杂的同步触发驱动电路和换流电路，使得由晶闸管构成的中频电源不仅性能差，而且体积庞大、抗干扰能力差、可靠性低、维修复杂并启动困难[1,4]。与电机机组中频电源相比，优势并不明显，与人们的期望相差甚远。

近年来，随着电力电子器件的研究和制造水平突飞猛进的发展，出现许多新型的电力电子器件和线路。到了90年代后期，新型大功率绝缘栅双极晶体（IGBT）试制成功，使得中频电源在逆变电路上又有了新的突破，产生了IGBT中频电源。IGBT 是场效应管（MOSFET）与功率晶体管（GTR）的复合器件。因此，它既具有MOSFET 的工作速度快，输入阻抗高、驱动电路简单以及温度特性好的优点，又具有GTR的载流量大，阻断电压高等多项优点[4]。本文中研究的中频逆变器就是采用IGBT为执行器件的。

早期，中小容量的中频逆变电源一般都采用最优调制控制策略[7-9]，从而消除或

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减小谐波畸变，减小输出滤波器的体积。在大容量中频逆变电源应用场合，一般都是采用阶梯波多重化的拓扑[10]，通过特别设计的变压器将多个逆变器的输出耦合成12、24或48脉波的输出波形，从而得到较高的输出功率和较小的谐波畸变。但是，由于其输出功率的调节只能通过调节直流母线电压来获得，且动态控制非常困难，动态响应速度非常慢，而且对非线性负载效应只能通过特别设计的滤波器来减小输出阻抗予以抑制[11]，无法对非线性和不平衡负载所产生的电压畸变进行补偿控制，因此已无法满足现在的高动、静态性能和高可靠性的要求[12-13]。为了消除逆变器在非线性负载下所产生的谐波畸变，许多学者提出了多种控制方法，但一般都是针对50/60Hz工频逆变器的[14-34]，针对400Hz逆变器的则较少[12-13]。

目前，大容量中频逆变电源一般都是采用多电平拓扑结构[35]。在国外，由电力电子器件构成的中频逆变电源的可靠性已比较高，能较好地满足舰艇等军事应用场合的需要，因此在国外的很多军事设备上都已装备了静止式中频逆变电源。在有些发达国家，单台容量达数百kV A及以上的中频逆变电源及其并联技术已相对比较成熟，并已较多地应用于军事和民用领域中。例如，在美国最先进和复杂的武器系统AEGIS（由Lockheed Martin公司主导开发）中，已采用了美国Power Systems Group 公司生产的单台功率容量达288kW/384kV A的400Hz静止式逆变电源；目前，美国军方已准备将其应用到航母上，以替代笨重的中频发电机组。另外，德国的Piller电力系统公司、瑞士ABB Kraft AS公司、英国Houchin航空公司和Magnus 电力公司等都有功率容量从几十到几百kV A不等的400Hz电源产品用于航空、船舶等军用和民用领域。在国内，较大容量的工频逆变电源技术已相对比较成熟，应用较多；但在大容量中频逆变电源技术（非谐振式）上尚未开展研究，和国外相比还存在较大的差距。目前，国内研制、生产的静止式中频逆变电源产品大多为中、小功率等级，如我国海军的部分舰艇上就采用了功率容量在10kV A以下的中频电源产品。根据作者所了解的情况，目前国内见诸应用的采用现代电力电子器件构成的单台100kV A以上的中频电源产品还很少；在实验室中，目前的研制水平也大多在150kV A以下[36-38]。

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在理论研究上，虽然涌现了大量的逆变技术相关学术论文和成果，但一般都是针对50/60Hz工频逆变器的[14-34]，而针对大容量中频逆变电源（非谐振式）的有关学术文献还比较少[39-40]。

1.4 控制策略的发展概况

1.4.1 逆变器的模拟控制与数字控制

逆变器的控制电路可以采用模拟电路也可以采用数字电路，传统的逆变器一般采用模拟电路控制。对于用户和生产厂家而言，模拟控制器存在硬件成本高、运行维护成本高、监控功能有限、器件老化和热漂移问题、可靠性低和升级换代困难等缺点。

随着数字技术的进步，逆变电源的全数字化控制已经是大势所趋。DSP器件的出现，使逆变电源的数字控制成为了可能。DSP具有瞬时地读取逆变电源的输出并实时地计算出输出PWM值的能力。正是由于DSP的采用，一些先进的控制策略才能得以在逆变电源的控制之中应用。

逆变电源采用数字控制，具有控制灵活，智能程度化高、易于标准化，系统维护成本低、可靠性高和升级换代容易等优点：

虽然数字控制技术具有上述诸多优点，但逆变器的数字控制同样存在控制速度较慢、采样与计算延时问题和量化误差等。

数字化是逆变器控制技术的一个的发展方向，同时也有一系列的问题亟待解决。本文所研究的中频逆变器采用的是数字控制方法。

1.4.2 控制策略综述

对于理想SPWM逆变电源而言，输出电压的畸变主要来源于谐波电流在逆变器输出阻抗上产生的谐波压降[41-42]。解决电压畸变的有效方法就是降低逆变器的输出阻抗，一般有三种方法。一是通过提高开关频率来减小滤波电感和电容，从而降低逆变器输出阻抗。这种方法对于小功率场合也许有效，但在中、大功率场合，由于

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受到电力电子器件的限制，开关频率不可能很高，滤波电感、电容减小的空间不大。另一种方法是在逆变器输出端设置LC谐振支路，通过合理的设置C和L的参数，使它对特定次谐波的输出阻抗近似为零，但是这一方法要求对每一次谐波都要增设一个LC支路，会大大增加电源的体积、重量和成本[43-44]。第三种方法就是通过采用合理的控制策略，减小输出阻抗。

波形质量控制技术一直是PWM逆变器领域的研究重点和热点，产生了种类繁多的控制方案。下面将对它们的主要特点加以阐述[42]。

（1）单闭环PID控制

PID控制（Proportional Integral Differential Control）以结构简单、易于操作及优良的鲁棒性等特点，使之成为迄今为止最通用的控制方法[45-46]。早期的逆变器控制多为模拟PID控制，单纯采用输出电压的瞬时值反馈。采用模拟PID控制器进行调节，其动态性能特别是带非线性负载的时候，不能令人满意。对于要求较高的系统，还没能做到全面满足系统要求。随着DSP的出现，逆变器的瞬时值反馈数字PID控制成为可能[47-48]。但是，数字PID控制不可避免地存在一些局限性。PID控制的精度取决于积分项，一方面这项越大控制精度越高，另一方面逆变器空载时振荡性很强，积分项产生的相位滞后、数字实现产生的相位滞后和离散化系统的量化误差会对系统的稳定性产生影响，因此积分项不能取得太大，需要折衷考虑。另外，由于数字控制的采样、计算延时的影响，引入了相位滞后，减小了最大可得到的脉宽，结果势必造成稳态误差大，输出电压波形畸变高。采用高速处理器和高速A/D以及提高开关频率可以在一定程度上改善数字PID控制的效果，但实现起来有一定困难。

由于PID控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪，逆变器系统实际上往往需增设均值外环反馈以保证系统的稳态精度[49-52]。

（2）双闭环PID控制

一般认为单闭环控制在负载扰动抑制方面存在着不足，与直流电机类似，只有当负载扰动（电流/转矩）的影响最终在系统输出端（电压/转速）表现出来以后，单闭环控制器才开始对误差信号进行控制。因此可以仿照直流电机的转速、电流双闭环控制系统，在逆变器的电压外环基础上增加一个电流内环，利用电流内环的快速

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7性，及时地抑制负载扰动的影响。同时由于电流内环对被控对象的改造，可以大大地简化电压外环的设计[53-54]。

文献[55]采用输出电压解耦使电流环得到满意的响应特性，对电感电流内环采用负载扰动补偿来抑制负载变化的影响，并且将几种电感电流内环和电容电流内环控制方式作了对比，结果显示带负载扰动补偿的电感电流内环与电容电流内环均可以获得较好的动、静态性能。双闭环控制的主要不足是电流内环为抑制非线性负载扰动，必须具备足够高的带宽，才能获得满意的效果，但这又加大了数字控制器实现的难度。

（3）滞环控制

滞环控制（Hysteresis Control ）的基本思想是将给定信号与检测到的实际输出信号相比较，根据误差大小改变逆变器的开关状态，这样实际输出会围绕给定作锯齿状变化，并将偏差限制在一定范围内[56]。图1.1为滞环电压控制框图。这种控制方式的优点是对系统参数和负载变化不敏感，系统鲁棒性好，动态响应快。但它也有明显的缺点：开关频率不固定，运行不规则，给滤波器的设计带来困难；当开关频率过高时功率开关器件发热严重。针对其缺点，出现了恒频滞环控制、自适应滞环控制等多种方案，其中有些需要精确的负载模型，有些为了获得输出电压的低THD 需要较高的开关频率，有些电路比较复杂，因而实际中很少使用。

图1.1 滞环控制框图

Fig.1.1 Hysteresis control block diagram

（4）无差拍控制 无差拍控制（Deadbeat Control ）是数字控制特有的一种控制方案[57-58]。无差拍控制系统框图如图1.2所示，它根据逆变器的状态方程和输出反馈信号来计算逆变器在下一个采样周期的脉冲宽度，控制开关动作使下一个采样时刻的输出准确地跟踪

参考指令。由负载扰动引起的输出电压偏差可在一个采样周期内得到修正。

无差拍控制有着非常快的动态响应，波形畸变率小，即使开关频率不是很高，也能获得较好的输出波形品质；无差拍控制能够通过调节逆变器的输出相位来补偿LC滤波器的相位滞后，使输出电压的相位与负载关系不大。但是，无差拍控制的自身缺点也十分明显：无差拍控制效果取决于模型估计的准确程度，但在实际中是无法对电路模型做出非常精确的估计的，而且系统模型随负载不同而变化，系统鲁棒性不强；其次，无差拍控制极快的动态响应即是其优势，又导致了其不足，为了在一个采样周期内消除误差，控制器瞬态调节量较大，一旦系统模型不准，很容易使系统发生振荡，不利于系统的稳定运行。

图1.2 无差拍控制系统框图

Fig.1.2 Deadbeat control system block diagram

（5）状态反馈控制

一般认为，从状态空间的角度看，单闭环控制系统性能不佳的主要原因是单纯的输出反馈没有充分利用系统的状态信息，如果将输出反馈改为状态反馈则可以改善控制效果。状态反馈控制[59-60]系统有多个状态变量反馈，但它并不构成分立的多环控制系统，而是在状态空间上通过合理选择反馈增益矩阵来改变对象的动力学特性，以实现不同的控制效果。采用状态反馈可以任意配置闭环系统的极点，从而改善系统的动态特性和稳定性，这是状态反馈控制的最大优点。状态反馈系数的确定大致有两种方法[61]：①根据系统要求给出期望闭环极点，推算状态反馈增益矩阵。

②应用最优控制原理，使系统的阶跃响应接近理想输出，据此确定状态反馈增益。不过，由于建立逆变器状态模型时很难将负载的动态特性考虑在内，所以状态反馈控制只能针对空载或假定负载进行。对此如不采取有针对性的措施（增设负载电流前馈补偿、预先进行鲁棒性分析等），则负载特性的改变将导致稳态偏差的出现和动

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态特性的变差。文献[62]将状态反馈作为内环、以其它的控制策略作为外环形成复合控制方案，利用状态反馈改善逆变器空载阻尼比小、动态特性差的不足，与外环共同实施对逆变器的波形校正。

（6）滑模变结构控制

滑模变结构控制（Sliding-Mode Variable Structure Control，SVSC）最大的优势是对参数变动和外部扰动不敏感，系统的鲁棒性特别强。早期逆变器采用模拟控制实现滑模变结构控制，存在电路复杂、控制功能有限等弱点。基于微处理器的滑模变结构控制完全不同于常规的连续滑模控制理论，其为离散滑模控制技术。文献[63]通过引入前馈改善离散滑模控制的稳态性能，文献[64]通过自矫正措施改善负载扰动的影响。

但是滑模控制存在理想滑模切换面难以选取、控制效果受采样率影响等缺点，它还存在高频抖动现象且设计中需知道系统不确定性参数和扰动的界限，抖动使系统无法精确定位，测定系统不确定参数和扰动的界限则影响了系统鲁棒性进一步发挥[65-73]。

（7）智能控制

模糊控制和神经网络控制都属于智能控制的范畴。模糊控制具有不依赖于控制对象数学模型的特点，有着较强的鲁棒性和自适应性[74-78]。控制理论中已经证明，模糊控制可以以任意精度逼近任何非线性函数。而电力电子装置往往是一个多变量、非线性时变的系统，但是模糊变量的分档和模糊规则数都受到当前技术水平的限制，隶属度函数的确定还没有统一的理论指导，带有一定的人为因素，因此模糊控制理论需要进一步的研究和完善。神经网络控制也是一种不依赖于模型的控制方法，非常适合于具有不确定性或高度非线性的控制对象，并具有较强的自适应和自学习功能[79-81]。但是神经网络的类型、结构和训练方法需要在控制系统的性能和系统的复杂性两者之间进行折衷，而且其训练的速度受到现有硬件技术条件的限制，还有待于进一步提高。目前还没有看到成功应用于逆变器控制的报道。

（8）重复控制

重复控制（Repetitive Control）的基本思想源于控制理论中的内模原理，内模原

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理是把作用于系统的外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度的反馈控制系 统[82]。由内模原理可知，除非针对每一种指令或扰动信号均设置一个余弦函数内模， 否则无法实现无静差，重复控制利用“重复信号发生器”内模巧妙地解决了这一问 题。重复控制系统框图如图 1.3 所示。重复控制一般采用数字方式实现。逆变器重复 控制的目的是为了克服死区、非线性负载引起的输出波形周期性畸变。其基本思想 是假定前一基波周期中出现的畸变将在下一基波周期的同一时间重复出现，控制器 根据每个开关周期给定与反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一基波 周期同一时间将此信号叠加在原控制信号上，以消除以后各周期中将出现的重复性 畸变[82-85]。 重复控制能使逆变器获得低 THD 的稳态输出波形。 但其主要弱点是动态性能差， 干扰出现后的一个参考周期内，系统对干扰不产生任何调节作用，这一周期系统近 乎处于开环控制状态，消除干扰对输出的影响至少需要一个基波周期。为此提出了 自适应重复控制[85]、伺服控制器和重复控制器组成的复合控制[83]、状态反馈控制与 重复控制组成的双环控制[62]等多种方案改善系统的动态特性。
图 1.3 重复控制系统框图 Fig.1.3 Repetitive control system block diagram （9）同步旋转坐标变换控制 在三相系统中，通常经过坐标变换，把交流信号从静止坐标系变换到同步旋转 坐标系，交流信号经过变换后成为直流信号，再用传统的 PI 控制器进行调节，把调 节后的信号再变换到静止坐标系下去控制输出，就可使输出达到零稳态误差。基于 同步旋转参考坐标控制器的谐波补偿方法[86-87]， 在 50Hz 系统中可以比较好地对由非 线性负载所引起的谐波电压畸变进行补偿，但是对于大容量 400Hz 逆变电源而言，
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控制带宽的限制使这种方法存在着明显的静态误差。文献[88]提出的同步旋转坐标控制器可以对50Hz系统中不平衡负载所产生的负序分量进行补偿控制，由于该方案中PI控制器并不是工作于纯直流条件下，系统带宽要达到几百Hz，才能达到零稳态误差，因此延时对系统性能的影响很大，而且该方法同样不适合大容量400Hz逆变电源；文献[89]将正序、负序计算模块和谐波带通滤波器引入到同步旋转坐标控制器中，如图1.4所示。在50Hz系统中可以在比较窄的控制带宽下获得较好的非线性和不平衡补偿效果，但其需要对基波和需要补偿的每一次谐波，包括正序和负序分量，进行补偿，需要多次变换，补偿实现起来比较复杂。

比例调节器

图1.4 同步旋转坐标变换控制方法

Fig.1.4 General scheme of the synchronous frame rotation transformation （10）P+谐振控制器（广义PI控制器）

文献[90]提出了一种基于静止坐标系的谐振控制器，因为是从同步旋转坐标中的PI控制器等效变换过来的，也可以称作广义交流PI控制器[91]，该控制器在谐振频率点处具有非常高的增益，从而可以在静止坐标系下对正弦参考信号进行零稳态误差跟踪；文献[92]将谐振控制器应用到谐波补偿控制中，让控制器在被补偿的谐波频率点处具有较高的增益，从而得到满意的谐波抑制效果，但对于大容量400Hz逆变电源而言，由于控制带宽的限制，这种方法的应用存在局限性。文献[13-14]提出了一

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种基于谐振控制器的中频逆变电源控制方法，该方法采用了电容电流观测器和新的内环反馈量检测方法，补偿了计算延时，取得了较好的动态和静态性能，但该方法需要比较精确的滤波器信息，另外在输出电压基波频率发生偏移时，控制性能会受到显著的影响。

从上述各种控制方案的分析可以看出，每一种控制方案都有其优点，但也都在某些方面存在一些缺点。如某些控制方法的稳态精度很高，但动态响应效果却很差；某些控制方法虽然具有较好的动态响应速度，但稳态输出电压畸变率又达不到工程的要求；某些控制方法虽然同时具有较高的动态和稳态精度，但它的控制参数适应能力又很差，鲁棒性不好；某些控制方法受硬件水平的限制，目前还不能得到很好的应用。因此，一种必然的发展趋势是各种控制方案互相渗透，取长补短，互济优势，组成复合的控制方案。所以，复合控制是逆变器控制策略的一个发展方向。

在大容量400Hz逆变电源中，由于开关频率与基波频率之比很低，限制了逆变器的控制带宽，从而给输出波形质量的控制带来困难。为了获得高的静、动态性能，必须要采用谐波补偿控制策略。现有的波形质量控制技术无法直接应用于大容量400Hz中频逆变电源中，也不能保证其输出波形质量和动、静态性能指标要求，因此需要采用新的控制策略或手段来实现对大容量400Hz中频逆变电源输出波形质量的控制。

1.5 本文主要研究内容

本文主要围绕国家自然科学基金资助项目——考虑组网要求的300kV A级中频逆变电源的设计理论与控制技术研究开展工作。本文主要研究大容量中频逆变电源波形质量控制技术，并着力解决一些实际工程难题，力求理论联系实际。

本文的研究工作主要有以下内容：

（1）逆变器拓扑结构及其数学模型（第二章）。针对大容量中频逆变电源的特点和要求，首先分析了几种拓扑结构的优缺点，分析、计算其谐波含量，然后建立了逆变电源的连续和离散数学模型，分析了逆变电源系统谐波畸变的主要原因，包括死区效应等非线性因素和非线性负载等。

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（2）谐振控制技术（第三章）。逆变器是一种广义的随动系统，其根本任务就是实现执行机构对交流电压（给定量）的准确跟踪。而普通的PI控制器无法直接对交流信号进行无静差的跟踪。根据内模控制原理，引出一种广义积分器——谐振控制器，阐明了静止坐标系下的谐振控制器与正、负序旋转坐标系下的PI控制器的等效性。介绍了谐振控制器的无静差特性、选频特性、不平衡控制特性和对单相系统的适用性。阐述了谐振控制器与重复控制器、复数积分控制器等的联系与区别，最后，把上述所有的控制器统一到内模原理。

（3）逆变器双环控制原理与设计（第四章）。参照直流双闭环调速系统，对基于连续空间的电容电流内环、输出电压外环的双环控制结构进行了分析。针对大容量中频逆变电源开关频率较低、载波比较小，延时对系统的稳定性影响较大的特点，介绍了考虑延时补偿的离散双环控制的系统设计，提出了采用一种广义PI调节器，可以充分保证系统的稳定性、稳态精度和动态性能（包括谐波抑制能力）。

（4）中频逆变电源的数字实现及实验（第五章）。对目前应用于多电平逆变器较多的载波移相调制技术和载波移幅调制技术进行比较和评价。给出了实验小样机系统的硬件结构并对其中一些关键部件进行了分析和计算，绘出了系统主要的程序的流程框图。对基于Matlab+DSP的实现、DSP的实现和FPGA+DSP的实现进行了详尽的分析和实验，给出了实验结果。并对三种实现方法的优缺点进行了分析比较。

（5）全文总结（第六章）。分别对本文的工作进行了总结和下一步工作的展望。 13

2 逆变器拓扑结构及其数学模型

2.1 引言

本章研究内容是大容量中频逆变电源拓扑结构及其数学模型，在对PWM逆变器进行性能分析、控制器设计工作中，首先必须确定其拓扑结构，然后才能建立系统的数学模型。数学模型形式多样，不同的数学模型有各自的特点及其适用范围，即适用于不同的控制策略。本章首先分析大容量中频逆变电源的拓扑结构，然后针对单相PWM逆变器建立其连续时间、离散时间模型，并比较两者的差异，为后续章节连续控制与离散控制分析设计提供了理论依据。

在建立三相逆变器的数学模型基础上，分析了三相与单相逆变器拓扑结构关系的相通之处以及三相特有的运行工况。

2.2 拓扑结构的选择及计算

单台三相400Hz/115V/300kV A逆变电源具有输出电流大和输出电压频率高的特点。由于输出电压频率高，因此为保证输出电压的波形质量和控制带宽，输出PWM 电压波形中的开关频率脉动必须比较高，但由于输出电流比较大。因此，提高输出电压波形质量和降低开关频率（损耗）之间的存在矛盾。为解决这个矛盾，比较现实可行的一个方法就是合理地选择主电路拓扑和控制策略，以较低的器件开关频率来实现较高的逆变器等效开关频率，并同时实现多电平工作（以降低输出电压谐波含量）。

根据大容量中频逆变电源的技术指标要求[93]，下面分别从不平衡和非线性负载要求、高的波形质量要求、谐波分析、电磁兼容和仿真等方面来对电路拓扑结构进行分析和计算。

2.2.1 不平衡和非线性负载要求

在三相逆变器的负载为不平衡负载或者为非线性负载时，如果要保证三相输出电压的对称，就必须给零序电流提供一条通路[94]。因此常用的传统三相桥式逆变电 14

15路已不能直接应用，需要采用三相四线制拓扑结构。目前，主要有以下四类三相四线制电路拓扑：三个独立单相逆变电源组合式、传统三相全桥逆变+?/Y 变压器式、三相分裂电容式和三相四桥臂式，其主电路结构如图2.1所示。

由于三相分裂电容式逆变拓扑中的中性电流直接通过电容流通，因此需要较大的支撑电容，另外还需电容电压均压控制，且直流电压利用率比较低，只适应于小功率场合[95]。三相四桥臂逆变器拓扑的特性与传统的三相全桥逆变器相似，但控制比较复杂，目前还不是很成熟[96]。考虑电气隔离的要求，因此这里只考虑前两种逆变拓扑结构。

（a ）三个独立单相逆变电源组合式主电路拓扑

（b ）传统三相全桥逆变+?/Y N 变压器式

（c ）三相分裂电容式

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