基于状态空间的PID/PID双环数字控制逆变器研究

摘要

PWM逆变器作为主流逆变器，已在不间断电源UPS、变频电源、电力系统、新能源供电系统等众多领域得到了广泛的应用。随着这些应用领域对PWM逆变电源的要求越来越高，具备高稳定性、快速的动态响应、高稳态精度等一系列特点的高性能逆变电源逐渐成为了发展趋势。
　　 本文重点关注PWM逆变器的关键技术之一输出电压波形质量，研究基于状态空间的单相PWM逆变器双环数字控制技术，采用了带负载电流前馈的PID/PID双环数字控制策略，其中输出电压外环、电感电流内环都采用PID控制器。仿真结果表明该控制方案稳态误差小、动态特性好，非线性负载时输出电压THD较低。为了解决数字处理器采样、计算延时带来的最大占空比受限问题，在PID/PID双环数字控制的基础上引入了观测器（状态观测器和扰动观测器）。为了减小观测误差，又在状态观测器上施加了重复补偿控制。仿真结果表明，这种控制方式能使得系统具备较好的动态和稳态性能，非线性负载时的抗扰能力也较好。
　　 另外，本文基于上述带负载电流前馈的双环数字控制架构，比较了单相逆变器的PID/PID、PID/PI、PI/PI这3种双环数字控制策略的优劣。大量详细的仿真数据对比总结出，当电压外环或电流内环增加一个微分环节D后，逆变器双环控制方案的稳态特性、动态特性和非线性负载时的抗扰能力的变化趋势。
　　 基于理论分析和仿真结果，在一台单相50Hz SPWM逆变电源上进行带观测器的PID/PID双环数字控制实验，实验结果表明该控制方案能较好地满足逆变电器的性能要求。