不間斷電源逆變器電路仿真研究

1、不間斷電源逆變器電路仿真研究摘要：本文分析了不間斷電源中逆變器電路設(shè)計(jì)的一種方法。UPS是一種集數(shù)字和模擬電路,自動(dòng)控制逆變器與免維護(hù)貯能裝置于一體的電力電子設(shè)備，在USP的主電路中逆變器，輸出為三相四線制，三相四線式電路的每一相都是獨(dú)立的，相互之間不存在耦合關(guān)系，因而可以把三相逆變器看成是三個(gè)輸出電壓互差120度的單相半橋逆變器組合在一起。由于三相之間沒有耦合關(guān)系，因而控制相對簡單，單相逆變器的控制方法可以直接用在這里?？紤]到三相之間的獨(dú)立性，本文以單相半橋逆變器為對象分析了電路設(shè)計(jì)與建模。關(guān)鍵詞：單相半橋逆變器；不間斷電源；建模仿真Study on simulation of uninte

2、rrupted power inverter circuitAbstract：In this paper the uninterrupted power supply circuit design of inverter of a kind of method. UPS is a digital and analog circuits, automatic control inverter and maintenance free storage device in one of the power electronic equipment, in the main circuit of US

3、P inverter, output for three-phase four-wire type, making three-phase four-wire type circuit of each phase are independent of each other, does not exist between coupling relation, thus can put three-phase inverter as three output voltage mutual difference 120 degrees of single-phase half-bridge conv

4、erter together. Because no coupling relationship between three-phase, thus controlling relatively simple, single inverter control method can be directly used here. Considering the independence, between three-phase with single-phase half-bridge converter for object analysis circuit design and modelli

5、ng.Keyword: single-phase half bridge inverter ；UPS；simulation110 引言不間斷電源（UPS）是一種含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓、恒頻的不間斷電源。由于大功率UPS的應(yīng)用越來越廣，需求越來越大，而且技術(shù)難度大，因此研究三相大功率UPS具有廣泛的應(yīng)用前景和普遍的現(xiàn)實(shí)意義。逆變器是UPS的核心，必須具有輸出高質(zhì)量電壓波形的能力。逆變電源的輸出波形控制技術(shù)是建立在工業(yè)電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體變流技術(shù)、脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)、磁性材料等學(xué)科基礎(chǔ)上的一門實(shí)用技術(shù)。本文以單相半橋逆變器為對象進(jìn)行

6、電路設(shè)計(jì)與建模研究。1 USP原理簡述從原理上來說，UPS是一種集數(shù)字和模擬電路,自動(dòng)控制逆變器與免維護(hù)貯能裝置于一體的電力電子設(shè)備。在UPS的主電路中逆變器的直流母線中點(diǎn)作為輸出的零線如圖1所示，輸出為三相四線制，這種三相四線制結(jié)構(gòu)可以很好地與前級BOOST-TL變換器結(jié)合起來。三相四線式電路的每一相都是獨(dú)立的，相互之間不存在耦合關(guān)系，因而可以把三相逆變器看成是三個(gè)輸出電壓互差120度的單相半橋逆變器組合在一起。由于三相之間沒有耦合關(guān)系，因而控制相對簡單，單相逆變器的控制方法可以直接用在這里?？紤]到三相之間的獨(dú)立性，下面分析均以單相半橋逆變器為對象如圖2所示。圖1 三相半橋逆變電路圖 圖2

7、單相半橋逆變電路Fig .1 Three-phase half-bridge inverter circuit Fig.2 Single-phase half-bridge inverter circuit2 單相半橋逆變器電路設(shè)計(jì)半橋電路控制電壓及輸出電壓波形如圖3所示，V01、V02分別為開關(guān)管Q1、Q2的驅(qū)動(dòng)電壓波形，分壓電容器C1=C2且足夠大，以致電路工作過程中C1和C2兩端電壓幾乎不變，即有VC1=VC2=E/2。在t1t2期間，VG10、VG20，Q1導(dǎo)通Q2截止，電流流經(jīng)路徑為C1+Q1LCC1-，輸出電壓Vab=E/2；在t2t3期間，VG1O、VG2O，Q1、Q2截至，無電

8、流輸出；在t3t4期間，VG10，Q2導(dǎo)通Q1截止，電流流經(jīng)路徑為C2+CLQ2C2-，輸出電壓Vab=-E/2。D1和D2分別是Q1和Q2反并聯(lián)的二極管，其作用是為感性負(fù)載提供續(xù)流回路，避免功率器件承受過高的瞬態(tài)電壓。輸出電壓平均值跟驅(qū)動(dòng)波形的占空比有關(guān)，通過改變占空比，可以得到平均輸出為正弦的電壓波形。由圖2所示，Q1導(dǎo)通，Q2截至?xí)r，Q2承受的電壓UCE2為： （1）考慮電網(wǎng)波動(dòng)為士10%，Q2承受的電壓UCE2為 （2）考慮工作溫度，電路中的瞬態(tài)影響，選擇IGBT模塊承受電壓僅為模塊BVON的50%80%，即：、圖3 半橋電路控制電壓及輸出電壓波形Fig .3 Half-bridge

9、circuit to control the voltage and the output voltage waveform （3）在電路中，E為800V，則BVON選擇為1200V?？紤]電網(wǎng)的波動(dòng)、啟動(dòng)時(shí)電流尖峰的影響，故選擇IGBT模塊ICM為 （4）圖4單相半橋逆變器等效電路Fig.4 Equivalent circuit of single-phase half-bridge inverter其中，P0為逆變器輸出功率，為脈沖占空比，為逆變器效率，根據(jù)式（4），ICM選擇為200A。單相半橋逆變器可以等效如圖4所示。變換器工作于雙極性調(diào)制方式，選擇濾波電感電流ic和濾波電容電壓vc作為

10、狀態(tài)變量，選擇開關(guān)函數(shù)s(s=1代表上管開通，s=0代表下管開通)作為參量，可以得到統(tǒng)一狀態(tài)方程為： （5）采用狀態(tài)空間平均法，由上式可以變換成： （6）其中Vm(t)為調(diào)制輸入信號(hào)瞬時(shí)值，Vt為三角載波幅位。進(jìn)一步，調(diào)制器輸入端到逆變器的濾波器輸出端電壓的傳遞函數(shù)為: （7）基于上式可以推導(dǎo)出雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖如圖5所示。3 建模仿真設(shè)計(jì)在數(shù)字控制系統(tǒng)中，控制參數(shù)的設(shè)計(jì)有兩種常用的途徑：一種是直接在時(shí)域內(nèi)設(shè)計(jì)控制參數(shù)，再把設(shè)計(jì)的控制器離散化；另一種是先把被控對象進(jìn)行離散化，然后再設(shè)計(jì)數(shù)字控制參數(shù)，在本文中采用前面一種途徑。本文采用的控制方法是電壓瞬時(shí)值控制，另外為了保證輸出波形有效值精度，

11、在瞬時(shí)值環(huán)外面加了個(gè)平均值環(huán)來對輸出波形的幅值進(jìn)行調(diào)整。這樣，內(nèi)環(huán)通過瞬時(shí)值控制獲得快速的動(dòng)態(tài)性能，保證輸出畸變率較低，外環(huán)使用輸出電壓的平均值控制，具有較高的輸出精度。圖5 雙閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖Fig.5 Diagram of the double closed loop control system block 系統(tǒng)的控制框圖如圖6所示。圖6 逆變器系統(tǒng)控制框圖Fig.6 Block diagram of inverter control system圖中G1(s)為被控對象，其中Kpwm=E/Vtri為逆變器的增益， R/（LCRs2+Ls+R）為忽略電感L、電容C的寄生電阻后的LC濾波器

12、傳遞函數(shù)。Hl(s)和H2(s)分別為內(nèi)環(huán)和外環(huán)的PI(比例積分)控制器。輸出電壓經(jīng)整流濾波后得到直流量與給定參考信號(hào)的有效值進(jìn)行比較，得到的誤差信號(hào)經(jīng)外環(huán)調(diào)節(jié)器后的輸出作為內(nèi)環(huán)參考正弦波的幅值，這個(gè)幅值乘以單位正弦波后作為內(nèi)環(huán)給定信號(hào)。內(nèi)環(huán)給定信號(hào)與輸出電壓瞬時(shí)值比較，得到的誤差信號(hào)經(jīng)內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算，得到內(nèi)環(huán)的控制信號(hào)。最后這個(gè)控制信號(hào)被送入PWM發(fā)生器，與三角載波調(diào)制比較后產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后對逆變橋的半導(dǎo)體開關(guān)進(jìn)行控制。從圖6所示，內(nèi)環(huán)被控系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為(反饋系數(shù)K1取l)： （8）從上式可以看出，被控系統(tǒng)是個(gè)二階系統(tǒng)。濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為： （9）內(nèi)環(huán)采用的是PI控制器

13、，在設(shè)計(jì)PI控制器的參數(shù)時(shí)，把PI控制器的零點(diǎn)設(shè)置在濾波器的轉(zhuǎn)折頻率處，這樣就有： (10）Kip和Kil分別為PI調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)。在確定穿越頻率關(guān)時(shí)，如果穿越頻率選得比較低，則在低頻段的增益比較小，會(huì)影響系統(tǒng)的快速跟隨性能；如果穿越頻率比較靠近濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，則在低頻段可以得到比較大的增益，改善系統(tǒng)的快速跟隨性能。但另一方面如果穿越頻率靠近濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，在阻尼比較小(逆變器空載或輕載)的情況下，轉(zhuǎn)折頻率及其鄰近頻率的增益有可能大于1，同時(shí)如果穿越頻率靠近濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，也會(huì)使補(bǔ)償后的相角裕度變小。從上面分析可以得到下面結(jié)論：穿越頻率往低頻靠，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但會(huì)使快速跟

14、隨性能變差；如果穿越頻率往濾波器轉(zhuǎn)折頻率移，可以改善系統(tǒng)的快速跟隨性能，但會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定所以在確定穿越頻率時(shí)應(yīng)在系統(tǒng)穩(wěn)定性與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)中得到一個(gè)比較折中的選擇。在本課題中選穿越頻率為轉(zhuǎn)折頻率的十分之一，所以有： （11）補(bǔ)償后的內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)為： （12）由于在穿越頻率處，開環(huán)增益為1有： （13） 式中R=15，L=660H，C=22F，Kpwm=E=380(在設(shè)計(jì)時(shí)把三角載波的幅值當(dāng)成1。內(nèi)環(huán)PI控制器的參數(shù)：Kip=2.6310-4，Kil=2.18所設(shè)計(jì)的內(nèi)環(huán)Pl控制器如下： （14）根據(jù)設(shè)計(jì)的內(nèi)環(huán)PI控制器，可以畫出系統(tǒng)補(bǔ)償前后的伯德圖，如圖7所示，上圖中，曲線1為補(bǔ)償前被控系統(tǒng)的幅

15、頻特性；曲線2為PI控制器的幅頻特性；曲線3為補(bǔ)償后的幅頻特性。下圖中，曲線1為補(bǔ)償前被控系統(tǒng)的相頻特性；曲線2為PI控制器的相頻特性；曲線3為補(bǔ)償后的相頻特性。從相頻特性圖的曲線3中可以讀出補(bǔ)償后內(nèi)環(huán)開環(huán)的相角裕度為93.6。瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)加入Pl控制器后的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （15） 由此，可以畫出補(bǔ)償后內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖如圖7所示。圖7 系統(tǒng)補(bǔ)償前后的伯德圖Fig.7 Bode diagram of system before and after compensation在設(shè)計(jì)外環(huán)控制器時(shí)，把外環(huán)的反饋系數(shù)K2當(dāng)成1，即K2=l。外環(huán)PI控制器零點(diǎn)的頻率fwz設(shè)置在100Hz，即fwz=

16、100Hz，轉(zhuǎn)折頻率fwc設(shè)置在10Hz，即fwc=10Hz。所以有：圖8 平均值外環(huán)控制框圖 圖9 平均值外環(huán)控制簡化框圖Fig.8 The average values of outer loop control block diagramFig.9 The average values of outer loop control simplified block diagram (16）從上式可以解得：Kwp=0.107；Kwl=67.2。外環(huán)Pl控制器如下： (17)圖10 外環(huán)PI控制器傳遞函數(shù)伯德圖Fig.10 The outer loop PI controller transf

17、er function Bode diagram圖10中給出了外環(huán)PI控制器的伯德圖，其中上圖為PI控制器的幅頻特性，下圖為PI控制器的相頻特性。4 結(jié)論電源技術(shù)人員對小型UPS地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、使用的器件和材料、采用的控制方法和手段等方面的研究仍在深入，旨在提高UPS產(chǎn)品的性能、拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域、提高其可靠程度、增強(qiáng)其適應(yīng)能力。本文以單相半橋逆變器為對象分析了電路設(shè)計(jì)與建模仿真研究。為UPS電源發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)(References):1 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)M.第4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20072 楊玉崗.現(xiàn)代電力電子的磁技術(shù)M.北京：科學(xué)出版社,20033 阮新波,嚴(yán)仰光.直流開關(guān)電源的軟開