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基于諧波補償的逆變器波形控制技術(shù)研究
摘要:介紹了一種基于諧波補償的逆變器波形控制技術(shù),分析了系統的工作原理,詳細探討了控制系統參數設計方法,并得出了試驗結果。引言
逆變器是一種重要的DC/AC變換裝置。衡量其性能的一個(gè)重要指標是輸出電壓波形質(zhì)量,一個(gè)好的逆變器,它的輸出電壓波形應該盡量接近正弦,總諧波畸變率(THD)應該盡量小。在實(shí)際應用中逆變器經(jīng)常需要接整流型負載,在這種情況下僅僅采用SPWM調制技術(shù)的逆變器,其輸出電壓波形就會(huì )產(chǎn)生很大的畸變。
為了得到THD小的輸出電壓,波形控制技術(shù)近年來(lái)得到了極大的發(fā)展。重復控制[1]是近年來(lái)研究得比較多的一種控制方案。本文從諧波補償的角度出發(fā),采用改進(jìn)型FFT算法對輸出電壓誤差信號進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜分析,把由軟件算法產(chǎn)生的經(jīng)過(guò)預畸變的諧波信號注入逆變器,由此達到抑制非線(xiàn)性擾動(dòng)從而校正輸出電壓波形的目的。
1 控制系統結構及工作原理分析
圖1為控制系統結構框圖[2]。G1(s)表示控制對象,在這里就是輸出LC濾波器的傳遞函數,其離散化形式由G1(z)表示。G2(z)表示內部模型,它與G1(z)相等。
1.1 擾動(dòng)抑制原理
考慮擾動(dòng)信號d(z)在輸出點(diǎn)的響應。由圖1可以很容易得到擾動(dòng)信號的傳函
Hd(z)=1-{[Gc(z)G1(z)]/1 [G1(z)-G2(z)]Gc(z)} (1)
由于G1(z)=G2(z),故Hd(z)可簡(jiǎn)化為
Hd(z)=1-Gc(z)G1(z) (2)
顯然,只要Gc(z)=G1-1(z),則Hd(z)=0,即擾動(dòng)可以得到完全的抑制。
不幸的是,實(shí)際逆變器的z域傳遞函數含有一個(gè)純延時(shí)環(huán)節,這就意味著(zhù)諧波補償器Gc(z)必須含有一個(gè)超前環(huán)節,這在物理上是無(wú)法實(shí)現的。但在實(shí)際應用中我們只須抑制低次諧波就可以獲得較好的輸出電壓波形,所以,只需要使諧波補償器低頻段頻率特性是控制對象G1(s)低頻段頻率特性的逆就可以了。而這是很容易做到的,本文把這種低頻段頻率特性意義上的逆稱(chēng)為“等效逆”。
1.2 內部模型
內部模型G2(z)就等于G1(s)的離散化形式G1(z),它的作用就是模擬控制對象的特性,作為參考信號源。在實(shí)際系統中,內部模型作為整個(gè)數字控制系統的一部分,由DSP軟件算法實(shí)現。
1.3 諧波補償器
諧波補償器由FFT和諧波發(fā)生器組成。FFT算法對輸出電壓誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜分析,因為,逆變器接整流型負載,其輸出電壓畸變主要是由于在輸出端疊加了次數較低的奇次諧波,所以,只須分析出1,3,5,7,9次諧波的幅值和初相位就可以滿(mǎn)足要求。
設x(n)為N點(diǎn)有限長(cháng)序列,其FFT為
式中:k=0,1,…,N-1;
顯然,常規的FFT算法,其輸出點(diǎn)數和輸入點(diǎn)
數是相等的,但在本系統中只須求出X(1),X(3),
X(5),X(7),X(9)等5個(gè)輸出點(diǎn),其他輸出點(diǎn)是不須計算的。根據基于FFT的蝶形計算流程圖[3]可以知道,在只須計算指定的若干個(gè)輸出點(diǎn)的情況下,可以大大減少計算量,節省大量的DSP時(shí)鐘,這就使得在計算能力并不強大的F240定點(diǎn)DSP上,實(shí)現基于FFT算法的實(shí)時(shí)頻譜分析成為了可能。本文把這種經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)的算法稱(chēng)為改進(jìn)型FFT算法。
諧波發(fā)生器的作用是把FFT分析出的諧波進(jìn)行預畸變,然后把預畸變的諧波信號作為補償指令送給控制對象。之所以要對諧波進(jìn)行預畸變,是因為控制對象對諧波的跟蹤是有差的,這就導致諧波信號通過(guò)被控對象到達擾動(dòng)注入點(diǎn)時(shí),并不與擾動(dòng)信號形狀相同,而是相位正好相差180°的信號,這樣就無(wú)法很好地抵消擾動(dòng)。諧波發(fā)生器的預畸變算法表達式如下:
式中:|X(n)|為諧波幅值;
pha(n)為諧波的初相位,它們由FFT算法計算得到;
modcoeff(n)為幅值補償系數;
phacoeff(n)為相位補償系數。
式(4)為單次諧波的補償指令計算式,式(5)為系統需要補償的所有諧波的總補償指令計算式,它是各單次諧波補償指令的簡(jiǎn)單累加。
幅值補償系數modcoeff(n)和相位補償系數phacoeff(n)可以通過(guò)控制對象的幅頻、相頻特性根據“等效逆”的原則簡(jiǎn)單地確定。具體來(lái)說(shuō),modcoeff(n)就是幅頻特性頻率對應點(diǎn)讀數的倒數,phacoeff(n)就是相頻特性頻率對應
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