基于并联观测器的单相逆变电源控制策略研究

摘要

单相逆变电源主要用于不间断电源、航空机载电源、机车辅助电源、新能源发电等应用场合。影响单相逆变电源输出电压性能的因素很多，其中非线性负载是引起输出电压谐波成分增大的主要原因。本文针对单相逆变电源带非线性负载时出现的问题，对单相逆变电源的控制策略做了详细的研究。
　　首先，本文分析了单闭环PI控制策略存在的缺陷:PI控制器无法完全跟踪正弦波给定信号，幅值与相角的稳态误差不能消除。针对上述问题，本文提出了基于并联观测器的单相逆变电源控制策略。
　　其次，从非正弦周期函数的傅立叶分解的角度出发，建立非正弦周期信号的连续和离散状态空间数学模型，在此基础上提出了利用并联观测器从非正弦周期信号中在线估算各次谐波的方法—瞬时谐波估算法，并分析了该算法的闭环频率响应。
　　再次，本文利用瞬时谐波估算法将基波电压从富含谐波的输出电压中提取出来，然后经过Park变换将基波交流量转换为直流量，然后采用PI控制就可以消除参考基波与输出基波的幅值与相位误差，最后经过反Park变换将幅值与相位控制量转换为基波控制量。至此，通过采用Park变换实现了零稳态误差基波电压的闭环跟踪控制。针对谐波电流在滤波电感上产生谐波压降导致输出电压畸变，本文提出了利用电流观测器求得滤波电感压降，然后将其作为前馈信号叠加到基波控制量上，以消除滤波电感上的谐波压降。同时，将所有谐波等效为外部噪声，在噪声信号附近建立反馈控制回路，并且噪声有一个独立的高反馈增益，那么噪声闭环增益就会变得很小，从而达到抑制谐波的目的。在Matlab/Simulink中搭建该控制策略的仿真模型，验证了该算法的正确性。
　　最后，对单相逆变电源的功率主电路进行了改进，加入了分频电路，将系统的总开关频率提高了一倍，并且设计了基于TMS320F2808的控制板电路及监控单元电路。通过实验证明了本文提出的基于并联观测器的单相逆变电源控制策略的正确性。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 单相逆变电源的性能分析

1．2．1 单相逆变电源性能指标

1．2．2 影响单相逆变电源性能的主要因素

1．2．3 谐波检测方法

1．3 逆变电源控制技术的发展与研究现状

1．3．1 控制技术的发展

1．3．2 数字控制技术的研究现状

1．4 本文主要工作

第2章 单相逆变电源拓扑结构及其控制策略

2．1 单相逆变电源拓扑结构

2．1．1 整体结构设计

2．1．2 功率主电路

2．1．3 主控制单元

2．1．4 上位机监控单元

2．2 单相逆变电源控制策略

2．2．1 单闭环PI控制存在的缺陷

2．2．2 基于并联观测器的控制策略的系统组成

2．3 本章小结

第3章 基于并联观测器的瞬时谐波估算法

3．1 非正弦周期信号状态空间模型的建立

3．1．1 连续状态空间模型

3．1．2 离散状态空间模型

3．2 非正弦周期信号并联状态观测器模型的建立

3．2．1 状态观测器定义

3．2．2 连续并联状态观测器

3．2．3 连续并联观测器的极点配置

3．2．4 离散并联状态观测器

3．2．5 离散并联观测器的极点配置

3．3 并联观测器的闭环频率响应

3．4 并联观测器的MATLAB仿真

3．5 本章小结

第4章 基于并联观测器的单相逆变电源控制策略及仿真

4．1 单相逆变电源的开环输出特性

4．2 输出电压基波跟踪控制策略

4．2．1 PARK变换及PI控制

4．2．2 输出电压基波跟踪控制策略仿真分析

4．3 谐波补偿控制技术

4．3．1 单相逆变电源输出电压谐波分析

4．3．2 前馈补偿控制

4．3．3 噪声反馈补偿控制

4．3．4 前馈及噪声反馈谐波综合补偿控制

4．4 本章小结

第5章 单相逆变电源硬件电路设计与实现

5．1 单相逆变电源的功率主电路设计

5．1．1 传统全桥逆变电路的分析

5．1．2 功率主电路的改进

5．1．3 单相逆变电源功率主电路元器件参数选择

5．1．4 输出滤波器设计

5．2 主控单元设计

5．2．1 DSP最小系统设计

5．2．2 检测电路设计

5．2．3 PWM驱动电平转换电路设计

5．2．4 通信电路设计

5．3 上位机监控单元设计

5．3．1 硬件电路设计

5．3．2．通信方案设计

5．4 实验验证

5．4．1 单相逆变电源带阻性负载实验

5．4．2 单相逆变电源突加负载实验

5．4．3 单相逆变电源带非线性负载实验

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢