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2、减减少噪音音，将风能能、太阳阳能等可可再生的的绿色能能源应用用到生产产和生活活中，可可以有效效地解决决能源危危机和环环境污染染问题。逆变电源源的负载载可能具具有不同同的性质质，如阻阻性负载载、感性性负载和和整流型型负载等等，当某某一负载载投入运运行时，特特别是非非线性负负载，很很可能引引起逆变变器的输输出电压压波形周周期性畸畸变，谐谐波增加加。谐波波对供电电系统的的污染日日益严重重，他对对各种电电气设备备都有不不同程度度的影响响和危害害1，其危害害主要体体现在以以下几个个方面：(1)谐谐波使公公用电网网的元件件产生附附加的谐谐波损耗耗，降低低了发电电、输电电以及用用电设备备的效率率，大量量的三
3、次次谐波电电流流过过中线时时会使线线路过热热甚至发发生火灾灾；(2)谐谐波会引引起电机机和变压压器发热热，振动动加剧，运运行效率率降低；(3)谐谐波对电电容器的的影响和和危害很很大，其其损害机机理包括括电效应应、热效效应和机机械效应应。在谐谐波作用用下，内内部介质质更容易易发生局局部放电电，电容容内部发发热和温温升增加加，电容容的接线线与外壳壳之间、内内部极板板之间可可能产生生机械共共振引起起介质的的机械损损耗；(4)谐谐波会导导致某些些继电器器保护装装置误动动作，致致使系统统无法正正常运行行，还会会使电气气测量仪仪器失准准，影响响计量精精度；(5)谐谐波干扰扰中的高高次成分分会对通讯、控控制
4、系统统造成干干扰，轻轻者产生生噪音，重重者导致致信息丢丢失，造造成系统统无法正正常工作作。由此可见见，逆变变电源向向各种负负载提供供高质量量的电能能具有重重要的意意义，这这样，也也就逐渐渐显示出出了逆变变电源输输出波形形控制技技术的重重要性。总总的来讲讲，逆变变电源的的输出波波形质量量包括以以下两个个方面的的内容：(1)具具有良好好的稳态态精度：在稳态态下，输输出波形形畸变小小即谐波波含量低低。(2)具具有良好好的动态态特性：在负载载扰动的的情况下下，输出出波形的的变化幅幅度小，调调节过程程迅速。因此，如如何提高高逆变电电源输出出波形的的质量，研研究逆变变电源的的各种先先进控制制技术，已已经成
5、为为近年来来国内外外学者研研究的热热点。1.2逆逆变电源源控制技术术1.2.1控制技技术的重重要性对于逆变变电源，在在性能上上除了需需满足可可靠性、体体积、重重量、效效率、电电磁兼容容性(EMCC)等基本本指标之之外，在在供电质质量方面面首要的的要求就就是高质质量的输输出电压压波形。对于由理理想开关关构成、并并且只带带线性负负载的SSPWMM（Sinne PPulsse WWidtth MModuulattionn-正弦波波脉冲宽宽度调制制）逆变器器，只要要实施某某种SPPWM技技术，不不难获得得理想的的正弦波波电压。然然而实际际运行中中，有很很多因素素导致逆逆变电源源输出波波形产生生畸变2，
6、主要包包括：(1)PPWM(Puulsee WiidthhModdulaatioon脉脉宽调制制)调制方方式和死死区效应应；(2)输输出滤波波器参数数变化；(3)负负载性质质变化(尤其是是整流型型非线性性负载)造成的的强扰动动。在逆变器器应用场场合，造造成波形形畸变的的主要原原因为负负载性质质变化和和死区效效应。非非线性负负载是影影响逆变变器输出出电压波波形质量量的主要要因素。非线性负负载大多多含有非非线性元元件，其其伏安特特性呈现现非线性性。对于于这种负负载，即即使供电电电压为为标准的的正弦波波，负载载电流也也是严重重畸变的的，其中中包含丰丰富的低低次谐波波。由于于逆变器器的输出出阻抗不不为
7、零，所所以这些些低次谐谐波电流流必然在在逆变器器输出端端产生谐谐波压降降，导致致输出电电压波形形畸变。如如今逆变变电源的的负载大大多是非非线性的的3，其中中常见的的是二极极管整流流型负载载，如图图1-11所示。图1-11 带非非线性负负载的全全桥逆变变器Fig.1-1 Fulll-bbriddge invvertter witth nnonllineear loaad分析图11-1所示的的单相桥桥式逆变变器带整整流桥非非线性负负载的电电路，整整流桥开开通时，电电路含有有两个电电容和两两个电感感，根据据电工理理论基本本知识，此此时输入入输出的的传递函函数为一一个典型型的四阶阶环节，可可以由下下式
8、表示示：(1-11)式中各系系数与电电路中各各参数、和有关。表表示一个个四阶稳稳定的线线性系统统，设输输入电压压为纯正正弦信号号，即，则输输出电压压。显然，输输出为正正弦波，且且相对输输入信号号有相移移，其幅幅值变为为。实际逆逆变电路路中，输输入电压压虽是由由控制方方式决定定SPWWM波，其其中含有有谐波分分量，但但谐波分分量大都都可被LLC滤波波器滤掉掉，所以以输出电电压仍具具有较好好的正弦弦度。整流桥关关断时，电电路中只只含有滤滤波电路路中的电电感和电电容，根根据电工工理论基基础知识识，此时时输入输输出的传传递函数数为典型型的二阶阶环节，由由下式表表示：（1-22）同理，其其输出电电压为，
9、稳稳态输出出为一正正弦波。可见整流流桥通、断断时，输输出是两两个不同同幅值、不不同相移移的正弦弦波，对对输入信信号具有有不同的的响应。通通过傅立立叶分析析可知，中含有有丰富的的谐波分分量，导导致波形形畸变。由由此可以以得知，波波形畸变变的原因因是整流流器的不不同工作作状态对对应着不不同拓扑扑的时间间响应。人们曾经经试图通通过降低低逆变器器的输出出阻抗来来解决这这一问题题。一种种做法是是在逆变变器输出出端增设设LC谐振振支路，通通过合理理设置其其谐振频频率，可可以做到到对某一一低次谐谐波的输输出阻抗抗近似为为零，从从而将该该谐波电电流吸收收掉。除除此之外外，通过过提高开开关频率率来减小小滤波电电
10、感也是是一个办办法。不不过，这这些基于于滤波器器的解决决方案也也有明显显的缺点点：前一一方法对对每一次次谐波电电流都要要增设一一个LC支路，这这对于容容量并非非特别巨巨大的通通用电源源产品来来讲，其其体积、重重量、成成本都难难以接受受。后一一方法则则与此正正好相反反：对于于小功率率产品开开关频率率的确可可以做得得很高，但但在大、中中功率场场合，受受温升、效效率等因因素限制制，开关关器件工工作频率率不可能能很高，此此时减小小滤波电电感的做做法就遇遇到了无无法逾越越的障碍碍。与以上方方法相比比，从控控制的角角度出发发，通过过引入输输出电压压的瞬时时值反馈馈控制技技术来抗抗御非线线性负载载扰动、抑抑
11、制谐波波是更合合理的解解决方案案。逆变变器控制制技术的的引入使使逆变器器系统的的闭环输输出阻抗抗相对开开环大为为降低，是一种通过控制手段降低输出阻抗的办法，这要比增设无源滤波元件或单纯的依赖提高开关频率优越得多4,5。除了非线性负载之外，实际PWM过程中为防止逆变器桥臂上下端元件直通短路而设置的死区也对波形质量有一定的影响。在死区期间上下两个元件皆处于关断状态，此时的桥臂输出电压不再由控制器决定，而是由当时的桥臂输出电流(即电感电流)方向决定。图1-2以全桥电路为例给出示意说明。图1-22 死区区效应示示图Fig.1-2 Skketcch mmap of deaad-ttimee如果在死死区期
12、间间电感电电流为正正（），则此此时电流流是通过过二极管管D2、D3续流，实实际的桥桥臂输出出电压为为负(见图1-22(a)，图中中所绘的的方向均均为电压压电流实实际方向向而非参参考方向向)。同样样的，当当电感电电流为负负（），此时电流流是通过过续流二二极管D1、D4续流，实实际的桥桥臂输出出电压极极性为正正(见图1-22(b)。从平平均效果果看，由由于死区区的存在在，在实实际的桥桥臂输出出电压中中相对于于理想PWM，即不不设死区区时，添添加了一一项增量量，使得得理想PWM输出电电压中叠叠加了一一组高频频脉冲。其其幅值、重重复频率率与PWM脉冲相相同，宽宽度等于于死区时时间，包包络线为为方波。后
13、后者的极极性与逆逆变桥输输出电流流相反，其其频率则则为基波波频率。显显然，这这一波形形中含有有开关频频率以下下的低次次谐波，直直接增加加了输出出电压的的波形畸畸变。死死区时间间在一个个开关周周期中所所占份量量越大，对对波形质质量影响响就越大大。为了克服服死区影影响，可可以采取取各种补补偿措施施。不过过，这些些死区补补偿措施施对非线线性负载载的影响响是无效效的，不不能代替替控制技技术。相相反，控控制技术术作为一一种闭环环控制手手段，可可以抗御御的扰动动类型是是多种多多样的，它它不仅能能克服非非线性负负载的影影响，同同样也可可以克服服死区效效应的影影响。因因此，采采取了逆逆变器的的控制技技术后死死
14、区问题题可以一一并解决决，一般般无须再再设置死死区补偿偿措施。1.2.2逆变变电源的的模拟控控制和数数字控制制DC-AAC变换部部分的控控制技术术是逆变变电源的的关键部部分，它它在很大大程度上上决定了了整个电电源的性性能。传传统的逆逆变器模模拟控制制技术已已经经历历了一个个较长的的发展时时期，是是一比较较古老而而相对成成熟的控控制技术术。他采采用连续续的模拟拟器件和和数字器器件直接接搭建，工工作过程程易于理理解，具具有很大大的频带带宽度，控控制精确确，基本本没有时时延，设设计也相相对容易易。目前前随着制制造工艺艺的不断断提高，器器件价格格不断下下降，生生产成本本越来越越低。然然后，模模拟控制制
15、器也存存在许多多不可克克服的缺缺点6,7,8：(1)由由于不同同厂家所所使用的的器件各各自的特特性差异异，使电电源的使使用一致致性不好好。(2)设设计周期期长，调调试复杂杂。(3)仅仅局限于于传统的的诸如PPID和和补偿技技术等经经典控制制理论的的简单算算法，无无法采用用一些先先进的控控制算法法。(4)器器件数量量多，体体积大，控控制电路路复杂，系系统的可可靠性低低。(5)模模拟器件件有器件件老化、温温度漂移移等固有有的缺陷陷，导致致设计良良好的控控制器经经过一段段时间性性能开始始下降，甚甚至输出出失败。(6)模模拟控制制器件是是硬件设设计方案案，这就就使得修修改和升升级换代代非常困困难。(7
16、)模模拟器的的监控能能力也差差，一旦旦出现问问题，一一般仅限限于声光光报警，只只有技术术人员亲亲临现场场才能排排除，有有极大的的不便。由于模拟拟控制存存在上述述缺点，在在很多场场合也无无法适应应新的要要求，因因此势必必需要用用数字控控制方法法来取代代9。逆变变器的数数字控制制就是先先将模拟拟量进行行数字化化，然后后在微处处理器中中进行数数字信号号处理，得得到所需需要的控控制量后后再还原原成模拟拟信号的的一种控控制方法法。与传传统的模模拟控制制相比较较，数字字控制具具有如下下好处：(1)便便于标准准化，每每台电源源间的一一致性好好。(2)减减少控制制元件数数量，提提高系统统抗干扰扰能力。由由于采
17、用用数字控控制技术术，控制制板的体体积将大大大减小小，生产产成本下下降。(3)由由于微处处理器的的运算速速度快，因因此可以以实现更更先进的的无差拍拍等控制制方法和和智能控控制策略略。(4)避避免模拟拟信号传传递过程程的畸变变、失真真，减少少杂散信信号的干干扰，输输出质量量好，稳稳定性和和可靠性性高。(5)设设计和调调试灵活活。一旦旦控制方方法改变变，只需需要修改改软件程程序即可可，无需需变动硬硬件电路路，大大大缩减了了设计周周期。(6)实实时数字字控制中中采用软软件算法法来实现现反馈控控制，能能很好地地解决控控制系统统由于元元器件的的老化和和温升带带来的缺缺陷。可见，数数字化是是逆变电电源发展
18、展的主要要方向，然然而，也也存在着着挑战。正正是有着着众多的的优点，而而问题又又存在，才才使得逆逆变电源源的数字字化控制制在国内内外引起起了广泛泛的关注注。1.2.3逆变变电源的的数字控控制算法法简介目前逆变变电源的的数字控制制策略一一般采用用反馈控控制，国国内外研研究得比比较多的的主要有有：数字字PIDD控制、状状态反馈馈控制、重重复控制制、滑模模变结构构控制、无无差拍控控制、以以及智能能控制。下面将对对上述控控制策略略做简要要的叙述述(1)数数字PIID控制制PID控控制是一一种具有有几十年年应用经经验的控控制算法法10，控制算法法简单，参参数易于于整定，设设计过程程中不过过分依赖赖系统参
19、参数，鲁鲁棒性好好，可靠靠性高，是是目前应应用最广广泛、最最成熟的的一种控控制技术术。它在在模拟控控制正弦弦波逆变变电源系系统中已已经得到到了广泛泛的应用用。将其其数字化化以后，它它克服了了模拟PPID控控制器的的许多不不足和缺缺点，可可以方便便调整PPID参参数，具具有很大大的灵活活性和适适应性。与与其它控控制方法法相比，数数字PIID具有有以下优优点：PIDD算法蕴蕴涵了动动态控制制过程中中过去、现现在和将将来的主主要信息息，控制制过程快快速、准准确、平平稳，具具有良好好的控制制效果。PIDD控制在在设计过过程中不不过分依依赖系统统参数，系系统参数数的变化化对控制制效果影影响很小小，控制制
20、的适应应性好，具具有较强强的鲁棒棒性。PIDD算法简简单明了了，便于于单片机机或DSSP实现现。采用数字字PIDD控制算算法的局局限性有有两个方方面。一一方面是是系统的的采样量量化误差差降低了了算法的的控制精精度；另另一方面面，采样样和计算算延时使使得被控控系统成成为一个个具有纯纯时间滞滞后的系系统，造造成PIID控制制器稳定定域减少少，增加加了设计计难度。(2)状状态反馈馈控制状态反馈馈控制可可以任意意配置闭闭环控制制系统的的极点，实实现了逆逆变电源源控制系系统极点点的优化化配置，有有利于改改善系统统输出的的动态品品质，具具有良好好的瞬态态响应和和较低的的谐波畸畸变率。但但在建立立逆变器器的
21、状态态模型时时将负载载的动态态特性考考虑在内内，因此此状态反反馈控制制只能针针对空载载和已知知的负载载进行建建模。由由于状态态反馈控控制对系系统模型型参数的的依赖性性很强，使得系统的参数在发生变化时易导致稳态误差的出现和以及动态特性的改变。例如对于非线性的整流负载，其控制效果就不是很理想11,12,13。(3)重重复控制制重复控制制是近几几年发展展起来的的一种新新型逆变变电源控控制方案案，它可可以克服服整流型型非线性性负载引引起的输输出波形形周期性性的畸变变144,155。重重复控制制的思想想是假定定前一周周期出现现的基波波波形畸畸变将在在下一个个周期的的同一时时间重复复出现，控控制器根根据给
22、定定信号和和反馈信信号的误误差来确确定所需需的校正正信号，然然后在下下一个基基波周期期的同一一时间将将此信号号叠加到到原控制制信号上上，以消消除后面面各个周周期将出出现的重重复性畸畸变。该该控制方方法具有有良好的的稳态输输出特性性和非常常好的鲁鲁棒性，但但该方法法在控制制上具有有一个周周期的延延迟，因因而系统统的动态态响应较较差。自自适应重重复控制制方案，已经成功地应用于逆变器的控制中。(4)滑滑模变结结构控制制滑模变结结构控制制利用不不连续的的开关控控制方法法来强迫迫系统的的状态变变量沿着着相平面面中某一一滑动模模态轨迹迹运动。该该控制方方法最大大的优点点是对参参数变化化和外部部干扰的的不敏
23、感感性，即即强鲁棒棒性，加加上其开开关特性性，特别别适用于于电力电电子系统统的闭环环控制16,17,18。但滑滑模变结结构控制制存在系系统稳态态效果不不佳、理理想滑模模切换面面难于选选取、控控制效果果受采样样率的影影响等弱弱点。如如今，逆逆变电源源的滑模模变结构构控制的的研究方方兴未艾艾，特别别滑模变变控制和和其它智智能控制制策略相相结合所所构成的的符合控控制策略略的研究究倍受关关注。(5)无无差拍控控制无差拍控控制是一一种基于于微机实实现的PPWM方方案，它它根据逆逆变电源源系统的的状态方方程和输输出反馈馈信号来来计算逆逆变器的的下一个个采样周周期的脉脉冲宽度度，800年代末末引如到到正弦波
24、波逆变电电源控制制系统中中。对于于线性系系统来说说，该控控制方法法具有很很好的稳稳态特性性和快速速的动态态响应19,20,21。其缺缺点也十十分明显显：它对对系统参参数的变变化反应应灵敏，即即鲁棒性性较差。一一旦系统统参数出出现较大大波动或或系统模模型建立立不准确确时，系系统将出出现很强强的震荡荡。为此此，在无无差拍控控制之中中引入智智能控制制是当今今的研究究热点之之一。(6)智智能控制制智能控制制技术主主要包括括模糊控控制、神神经网络络和专家家系统等等222，对于高高性能的的逆变电电源系统统，模糊糊控制器器有着以以下优点点：(1)具具有较强强的鲁棒棒性和自自适应性性，模糊糊控制器器的设计计不
25、需要要被控对对象的精精确数学学模型。(2)查查找模糊糊控制表表占用处处理器的的时间很很少，因因而可以以采用较较高采样样率来补补偿模糊糊规则的的偏差。理论上，模模糊控制制能够以以任意精精度逼近近任何非非线性函函数，但但模糊控控制的分分档和模模糊规则则树都受受到一定定的限制制，隶属属函数的的确定带带有一定定的人为为因素，因因此模糊糊控制的的精度有有待与进进一步提提高。目前，模模糊控制制、神经经网络和和专家控控制出现现了相互互融合的的趋势23,24，展示示了三者者相辅相相成、优优势互补补的强大大生命力力。采用用神经网网络确定定隶属函函数，优优化模糊糊规则和和进行模模糊推理理等研究究已经取取得一定定的
26、成果果，各种种模糊神神经网络络的拓扑扑结构和和算法也也不断涌涌现。模模糊控制制和专家家系统结结合，可可充分利利用专家家系统的的知识推推理机制制和知识识获取能能力。模模糊控制制必将成成为逆变变电源智智能化的的核心控控制技术术。目前前在神经经网络选选取、学学习方法法的优化化等方面面已有了了一些研研究成果果，但由由于神经经网络的的实现技技术还没没有突破破，因此此未能成成功地应应用于逆逆变电源源的控制制之中。由此可见见，每一一种控制制方案都都有其优优势，但但也在某某些方面面存在不不足。因因此将各各种控制制方案取取长补短短，组合合成复合合的控制制方案将将是设计计逆变电电源控制制系统的的一种必必然趋势势。
27、本文文提出了了一种将将重复控控制和模模糊自整整定PI控制制相结合的的新型单单相 SPPWM 逆变电电源控制制方案。1.3逆变电电源数字字控制算算法应用用研究现现状1.3.1国内内外应用用研究现现状从国内外外研究状状况来看看，目前前，国外外知名企企业，如如山特公公司、台台达公司司、东芝芝公司、梅梅兰日兰兰公司等等，在逆逆变器的的数字控控制方面面的研究究比较多多，许多多先进的的技术已已应用到到了实际际的系统统中，生生产出了了许多知知名品牌牌。他们们能够生产从从几百伏伏安到几几千伏安安的逆变变器，其其电源性性能和可可靠性都都已经达达到了很很高的水水平。相相对来说说，国内内的逆变变器数字字控制方方面的
28、发发展就晚晚的多，目目前大多多数生产产厂家主主要是还还是以模模拟加数数字的控控制方式式为主，全全数字控控制方面面的研究究还较少少，主要要集中在在一些知知名公司司和重点点院校，如如华中科科技大学学、南京京航空航航天大学学；且大大多数研研究还处处于实验验阶段，仅仅有少部部分用于于逆变电电源系统统中。从目前国国内市场场来看，由由于国内内逆变器器的生产产厂家基基本上不不能生产产大功率率逆变电电源，所所以国内内大功率率逆变电电源的市市场几乎乎全部被被国外各各大公司司占有。对对于中小小功率逆逆变电源源来说，虽虽然国内内许多厂厂家可以以生产，并并占有一一定的市市场，但但是其产产品性能能和可靠靠性远不不如国外
29、外同类产产品，输输出电压压受负载载变化影影响很大大，故加加强逆变变电源先先进控制制技术的的应用研研究具有有十分重重要的理理论意义义和实用用价值。1.3.2目前前应用研研究中存存在的问问题通过上节节对各种种数字控控制策略略的特点进进行分析析可以看看出，每每一种控控制策略略都有其其特长，但但也都在在某些方方面存在在一些问问题。如如某些控控制方法法的稳态态精度很很高，但但动态响响应效果果却很差差；某些些控制方方法虽然然具有较较好的动动态响应应速度，但但稳态输输出电压压畸变率率又达不不到上程程的要求求；某些些控制方方法虽然然同时具具有较高高的动态态和稳态态精度，但但它的控控制参数数适应能能力又很很差，
30、鲁鲁棒性不不好；某某些控制制方法受受硬件水水平的限限制，目目前还不不能得到到很好的的应用。因因此，一一种必然然的发展展趋势是是各种控控制方案案互相渗渗透，取取长补短短，互济济优势，结结合成复复合的控控制方案案。所以以，复合合控制是是逆变器器控制策策略的一一个发展展方向。同时由于于上述控控制策略略均由数数字方式式来加以以实现，这这其中还还有些需需要解决决难题：(1)逆逆变电源源输出要要跟踪的的是一个个按正弦弦规律变变化的给给定信号号，它不不同于一一般开关关电源的的常量控控制。在在闭环控控制下，给给定信号号与反馈馈信号的的时间差差就体现现为明显显的相位位差，这这种相位位差与负负载是相相关的，这这就
31、给控控制器的的设计带带来了一一定的困困难。(2)逆逆变电源源输出滤滤波器对对系统的的模型影影响很大大，输入入电压幅幅值的波波动和负负载的性性质等，这这些都增增加了控控制对象象的复杂杂性，使使得控制制对象模模型的高高阶性、不不确定性性和非线线性显著著增加。(3)对对数字式式PWMM，都存存在一个个开关周周期的失失控区间间，一般般是在每每个开关关周期的的开始或或上个周周期末，来来确定本本次脉冲冲的宽度度，即使使这时系系统发生生了变化化，也只只能在下下一个开开关周期期对脉冲冲宽度做做出调整整。总之，随随着控制制理论的的发展，逆逆变电源源控制技技术朝着着全数字字化、智智能化及及网络化化的方向向发展，逆
32、逆变电源源的数字字控制技技术发生生了一次次大的飞飞跃。逆逆变电源源数字化化控制的的优点在在于各种种控制策策略的硬硬件电路路基本是是一致的的，要实实现各种种控制策策略，无无需变动动硬件电电路，只只需修改改软件即即可，大大大缩短短了开发发周期，而而且可以以应用一一些新型型的复杂杂控制策策略，各各电源之之间的一一致性比比较好，这这样为逆逆变电源源的进一一步发展展提供了了基础，而而且比较较容易组组成可靠靠性高的的大规模模逆变电电源并联联运行系系统。1.4论论文的主主要工作作及研究究内容论文主要要针对逆逆变电源源向各种种负载提提供高质质量电能能的需要要，抑制制谐波对对各种用用电设备备的危害害，查阅阅大量
33、的的相关文文献，研研究学习习目前应应用在逆逆变电源源中的多多种控制制技术，并并进行了了改进，提提出了将将重复控控制和模模糊自整整定PI控制相相结合的的新型单单相 SPPWM逆变电电源控制制方案。具体研究内容如下：1阐述述逆变电电源控制制技术研研究的背背景及意意义。2对单单相SPPWM逆逆变器进进行模型型分型。3设计计用于控控制SPPWM逆逆变器的的重复控控制器。4应用用模糊自自整定PID控制方法法对重复复控制进进行改进进，设计计了一种种新型的的复合控控制器。5在 MATTLABB/SIIMULLINKK仿真环环境下，对设计的复合控制器进行仿真验证。第2章 单相SPPWM逆逆变器模模型分析析2.
34、1引引言控制对象象的数学学模型是是开展严严密的理理论分析析和实验验研究工工作的出出发点和和基础。本本章首先先讲述了了SPWWM逆变变器的工作作原理和和电路结结构，然然后针对对单相全全桥SPPWM逆逆变器，建建立了它它的数学学模型。2.2SSPWMM逆变器器概述19644年，德德国学者者H.SStemmmleer根据据通讯理理论中的的调制技技术提出出了脉宽宽调制变变频的思思想。19775年，Brristtol大大学的SS.R.Bowwer等等人对该该技术进进行了成成功地应应用。实实现这种种方案的的主功率率电路简简单、控控制容易易，可以以很方便便地实现现各种复复杂的控控制规律律。经过过近40年的发
35、发展，PPWM技技术已得得到了非非常广泛泛的应用用，成为为电力电电子领域域中最重重要的技技术之一一。2.2.1工作原原理逆变器是是用来实实现DC-AC变换的的电力电电子装置置。跟所所有其它它类型的的电力电电子装置置一样，逆逆变器利利用一组组电力电电子开关关来实现现电能形形式的转转换。图图2-1是其工工作原理理的一个个抽象描描述。由图2-1可见，当当开关S1、S4导通，开开关S2、S3关断时时，输出出端可以以获得正正极性的的瞬时电电压；而而当开关关S2、S3导通，开开关S1、S4关断时时，输出出端可以以获得负负极性的的瞬时电电压。以以一定的的频率切切换两组组开关导导通的状状态，即即可实现现由直流
36、流电压到到交流电电压的变变换。无无论是任任何具体体形式的的逆变器器，或是是其它类类型的电电力电子子变换器器，其实实现电能能变换的的基本手手段都是是通过这这种对电电子开关关的快速速通断控控制来改改变电压压(或电流)的极性(瞬时的或或平均的)和幅值(平均的)。简单的的按照图图2-1的方法法控制，只只能获得得方波型型交流电电压输出出，其谐谐波含量量很大，幅幅值也无无法调节节。如果果要获得得理想的的输出电电压，只只需对开开关过程程进行控控制，PWM技术可可以解决决这个问问题。图2-11 用电电子开关关实现DC-AC变换Fig.2-1 Trannsfoorm DC to AC witth eelecct
37、roonicc swwitcch根据采样样控制理理论可知知255，冲冲量(幅值对对时间的的积分)相等而而形状不不同的窄窄脉冲加加在惯性性环节上上，其作作用效果果基本相相同。PPWM技技术的理理论依据据就是“冲量等等效”特性。简简言之，当当形状不不同但冲冲量相等等的窄脉脉冲电压压激励信信号施加加于具有有惯性的的对象如如低通滤滤波器时时，输出出端得到到的电压压响应基基本相同同，其差差别仅表表现在高高频成分分上。SSPWMM是在PWWM的基基础上，将将期望输输出的正正弦电压压波形假假想成有有一组等等宽不等等幅的片片断组合合而成，然然后用一一组冲量量对应相相等的等等幅不等等宽(即脉冲冲宽度调调制)脉冲
38、将将它们依依次代替替，从而而在滤波波器输出出端得到到期望的的正弦电电压波形形。这样样的脉冲冲可以由由电子开开关的通通断控制制实现。理理论推导导和实际际的频谱谱分析表表明：SPWWM脉冲电电压具有有与理想想正弦电电压相一一致的基基波分量量，而且且最低次次谐波的的频率可可以提高高到SPPWM调制频频率(即开关关频率，对对应于每每基波周周期的脉脉冲个数数)附近。因因此，当当开关频频率足够够高时，利利用较小小的滤波波器就能能将其中中的谐波波滤除掉掉。此外外，只需需改变SSPWMM脉冲宽宽度，就就可以平平滑地调调节输出出电压的的基波幅幅值。采采用了SPWWM技术的的逆变器器即为SPWWM逆变器器，它在在
39、波形质质量和控控制性能能上相对对方波型型逆变器器有了巨巨大的进进步。2.2.2电路路结构图2-11中的电电子开关关，通常常以一个个全控型型器件(这里以MOSSFETT器件为例)和一个个反并联联二极管管构成，两两个这样样的开关关上下串串联，就就组成一一个桥臂臂。对电电子开关关实施互互补通断断控制，可可以唯一一确定桥桥臂的输输出端电电位。分别别采用一一个、两两个、三三个桥臂臂，再加加上LC滤波器器，就可可以构成成单相半半桥、单单相全桥桥和三相相全桥PWM逆变器器，如图图2-2所示。这这些是实实际应用用中最常常见的逆逆变电路路。本论论文主要要采用的的是单相相全桥逆逆变器电电路结构构。图2-22 电路
40、路结构Fig.2-2Cirrcuiit sstruuctuure2.3单单相SPWWM逆变器器数学模模型逆变器建建模时，如如何处理理负载的的动态特特性是一一个关键键性的问问题。如如果假设设逆变器器接阻性性负载，模模型比较较简单，但但不能反反映实际际情况。如如果对负负载电流流做更为为复杂的的假设，如如一阶导导数不变变等，效效果会好好一些，但但又会使使模型形形式变得得复杂。本本文采取取的方法法是将负负载处理理为外部部扰动输输入量，这这样可以以建立一一个形式式简单而而且又是是严格成成立的线线性模型型。在进进行仿真真研究时时，采用用这种模模型形式式是比较较方便的的。2.3.1 电路模型型一台单相相、两
41、电电平、硬硬开关、带LC滤波器的SPWM逆变器，无论采用全桥结构还是半桥结构、单极性调制还是双极性调制，都可以用图2-3所示的统一的状态模型电路模型来表示。图2-33 单单相逆变变器的统统一电路路模型Fig.2-3Uniiforrm CCirccuitt moodell off siinglle-pphasse iinveerteer以上电路路模型的的主要特特点是：不对逆逆变器负负载做任任何假定定，并把把负载电电流和逆逆变桥的的输出电电压一样样处理为为逆变器器的一个个外来激激励。这这样，可可以使逆逆变器的的数学模模型形式式简单并并且不依依赖于具具体的负负载类型型。2.3.2连续续时间状状态空间
42、间模型状态空间间模型的的具体形形式与所所选状态态变量有有关226，根根据控制制方案的的不同可可以选择择不同的的状态变变量。分分析图2-3单相相逆变器器的统一一电路模模型时，选选择电感感电流和和电容电电压为状状态变量量。由于于对电容容C和电感L来说，有有以下公公式成立立：(2-11)(2-22)所以根据据KCL和KVL，可以列出出状态方方程如下下：(2-33)(2-44)将逆变桥桥输出电电压和负负载电流流作为系系统的两两个输入入量，取取电容电电压为系系统输出出变量，则则状态方方程的矩矩阵形式式为：(2-55)(2-66)式中；逆变器的的等效框框图如图图2-44所示，从图中中可以看看出各变变量之间
43、间的内在在联系。这是一一个双输输入、单单输出的的二阶线线性系统统，输入变变量为输输出电压压和负载载电流，输输出变量量为电容容电压。图2-44单相电电压型PWM逆变器器的等效效框图Fig.2-4Traansfformm DCC too ACC wiith eleectrroniic sswittch图中Z(s)为负载载阻抗，因为负负载的多多种多样样，即使负负载上的的电压为为纯正弦弦，负载上上的电流流可以是是任意波波形。可可以把看看作是对对控制系系统的一一个扰动动输入信信号，这样，即使当PWM逆变器器带的是是非线性性负载时时，它也仅仅表现在在扰动的的非线性性上，这样的的负载模模型具有有较强的的代表
44、性性。2.3.3离散散时间状态态空间模模型随着技术术的进步步，微处处理器的的性能不不断提高高，逆变变器的全全数字控控制已经经是大势势所趋。如如果认为为采样时时间足够够小，则则数字控控制器的的设计可可以采用用模拟化化方法，即即只需将将基于连连续系统统所做的的设计结结果离散散化。但但这只是是一种近近似处理理，而且且也不能能实现某某些为数数字控制制所特有有的控制制方案(如无差差拍控制制)。为此此，数字字控制器器的设计计最好采采取“数字化化方法”，即：首先将将采样保保持器与与控制对对象所构构成的广广义控制制对象离离散化，然然后对由由这个离离散对象象与数字字控制器器所组成的完完全离散散系统进进行设计计，
45、由于于考虑了了采样保保持器的的影响，数数字化方方法的设设计结果果比模拟拟化方法法更可信信。实际的采采样过程程一般采采用零阶阶保持器器（ZOHH-zeero ordder holld），即：以变量量在采样样时刻的的瞬时值值作为其其在该采采样周期期内的采采样值。采采取这种种“加零阶阶保持器器离散化化的方法法”，可以由由逆变器器连续模模型(22-5)、(2-6)导出以以下离散散时间状状态方程程：(2-77)(2-88)式中；，式中为采样周周期C是？。此时输入入向量的的两个分分量、分别为为逆变器器输出电电压、负负载电流流的第次采样值值。逆变变桥输出出电压的的采样比比较特殊殊，因为为电压本本身并不不是连
46、续续变化的的量，而而是一个个离散的的SPWWM脉冲序序列。逆逆变器开开关频率率一般取取为采样样频率的的整数倍倍，所以以在每个个采样周周期内都都会有多多次跳变变。为此此，可以以借助冲冲量等效效的概念念，用电电压在一一个采样样周期内内的脉冲冲均值作作为本次次采样值值。这样样做也相相当于采采用状态态空间平平均法对对一个采采样周期期内开关关状态的的不连续续变化做做低频等等效(因为不不同开关关状态下下SPWM逆变器器的系统统矩阵是是相同的的，所以以只需对对不连续续的输入入量做平平均)，所获获得的是是逆变器器的状态态空间平平均模型型。这种种平均化化近似处处理的前前提条件件是逆变变器LC滤波器器的截止止频率
47、相相对于开开关频率率足够低低，显然然这一点点在SPWWM逆变器器中是自自动满足足的，因因为LC滤波器器的作用用就是滤滤除开关关频率及及其以上上频率的的谐波。对对于大多多数的控控制方案案，这种种状态空空间平均均模型已已经可以以作为控控制对象象的一个个足够好好的描述述。其缺缺点仅仅仅是不能能反映开开关暂态态的细节节。在连连续时间间模型里里，对逆逆变器输输出电压压做类似似的平均均处理，一一样可以以得到平平均化模模型。2.3.4逆变变器空载载时的数数学模型型由于逆变变器在空空载时的的阻尼最最小,振荡性性最为剧剧烈,控制难难度也最最大,因此控控制器的的设计必必须基于于空载来来进行。单相全全桥SPWWM逆
48、变电电源系统统的动态态特性主主要由输输出LC决定，则则可以推推导出逆逆变电源源空载时时的数学学模型为为：(2-99)此式为一一个二阶阶滞后因因子，自自然振荡荡频率,阻尼比。为消消除开关关频率附附近的高高频谐波波，逆变变电源的的输出滤波电电路的自自然振荡荡频率和和截止频频率应远远低于开开关频率率(即载波波频率)，截止止频率通通常选低低于。参参考文献献中的二二阶滞后后因子的的Bodde图277，二阶系系统的谐谐振峰值值约选20，本文的的参考选选择为：开关频频率10kHHz；滤滤波电感感0.955mH；滤滤波电容容40uFF，阻尼尼电阻0.44。则逆变电电源的数数学模型型为：(2-110)其频率特特性如图图2-55：图2-55连续模模型频率率特性Fig.2-5Freequeencyy chharaacteerissticcs oof cconttinuuouss moodell在10KKHz采样频频率下，将式（2-10）中传递函数加零阶段保持器，离散化，最后得到(2-111)