三相逆變器作為現(xiàn)在一種常用的電力電子設(shè)備，對輸出電壓控制系統(tǒng)需同時實現(xiàn)兩個目標(biāo)：高動態(tài)響應(yīng)和高穩(wěn)態(tài)波形精度。諸如PID、雙閉環(huán)PID、狀態(tài)反饋等控制方案，雖然能實現(xiàn)高動態(tài)特性，但是不能滿足高質(zhì)量的穩(wěn)態(tài)波形。

本文利采用雙閉環(huán)PI和重復(fù)控制相結(jié)合的控制方案，首先用雙閉環(huán)PI控制算法，得到高動態(tài)特性的三相交流電，不過不能滿足高質(zhì)量的穩(wěn)態(tài)波形，因為用電壓質(zhì)量要求比較高的非線性負(fù)載———鎮(zhèn)流器是電感式的鈉燈作為三相逆變器的負(fù)載時，鈉燈不能穩(wěn)定的工作（會高頻率地閃爍），針對這一問題，在雙閉環(huán)PI的基礎(chǔ)上加重復(fù)控制補(bǔ)償，建立MATLAB 仿真，并在雙DSP+FPGA 硬件架構(gòu)中高效精確的實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，加上重復(fù)控制補(bǔ)償后，鈉燈能夠穩(wěn)定的工作，三相逆變器的穩(wěn)態(tài)性能得到了很大的改善。

1 、三相逆變器數(shù)學(xué)模型的建立

三相LC逆變器的主電路拓?fù)淙鐖D1，組成部分主要有三相逆變橋、三相濾波電感L、三相濾波電容C 。

圖1 LC 三相逆變器的主電路拓?fù)?/p>

定義三相逆變器負(fù)載側(cè)輸出電壓為uoA、uoB、uoC，輸出電流為ioA、ioB、ioC，三相逆變器電感L 側(cè)輸入電壓為uA、uB、uC，輸出電壓為uoA、uoB、uoC，流過電感的電流為iaL、ibL、icL。

以電感電流和輸出電壓為狀態(tài)變量，建立在三相靜止坐標(biāo)系中的狀態(tài)空間表達(dá)式如下。

狀態(tài)方程為：

輸出方程為：

dk-調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)制信號。

以上為三相逆變器的靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型，下面討論其解耦模型。

引入如下三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的變換關(guān)系式：

將式（3）代入式（1），即可得到在兩相靜止坐標(biāo)系下控制對象的傳遞函數(shù)表達(dá)式如下：

從上面的控制對象的傳遞函數(shù)表達(dá)式可知，α軸和β軸已經(jīng)完全解耦，各自等效為單相半橋逆變器。

從上面的分析可以看到：①在兩相靜止坐標(biāo)系下，三相逆變器是完全解耦的，可等效為兩個單相半橋逆變器。②三相解耦后的模型與單相逆變器模型相同，所以三相逆變器的控制的分析與設(shè)計方法可以借鑒單相逆變器。

2 雙閉環(huán)PI控制器的設(shè)計

2.1 電流環(huán)控制器的設(shè)計

控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)的控制對象是濾波電感，特點(diǎn)是頻帶寬、響應(yīng)速度快，比例調(diào)節(jié)P即可以滿足要求。另外，為了抵消結(jié)構(gòu)電壓負(fù)反饋的影加上輸出電壓正反饋：

（1）電流環(huán)比例調(diào)節(jié)器的設(shè)計步驟1）看開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖是否滿足要求;2）看閉環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖是否滿足要求。

（2）設(shè)計電流環(huán)截止頻率時，有2條執(zhí)行準(zhǔn)則1）從控制系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)分工考量，為了加快動態(tài)響應(yīng)，電流環(huán)閉環(huán)截止頻率要比外環(huán)的截止頻率高且盡可能的高，并采用沒有延時的比例調(diào)節(jié);2）從控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)考量，電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)截止頻率要比電力電子器件的開關(guān)頻率低。三相逆變器的電感L=0.19mH，代入（8）式得到開環(huán)的幅頻特性函數(shù)：

2.2 電壓環(huán)控制器的設(shè)計

三相逆變器的外環(huán)電路采用電壓負(fù)反饋，為了抵消結(jié)構(gòu)電流負(fù)反饋的影響，加上輸出電流負(fù)反饋?？傻茫?/p>

3 基于重復(fù)控制補(bǔ)償?shù)?a target="_blank">高精度PID控制

3.1 重復(fù)控制原理

重復(fù)控制是日本的lnoue 于1981 年首先提出來的，其原理來源于內(nèi)模原理，加到被控對象的輸入信號除偏差信號外，還疊加了一個“過去的控制偏差”，該偏差時上一周期該時刻的控制偏差。把上一次運(yùn)行時的偏差反映到現(xiàn)在，和“現(xiàn)在的偏差”一起加到被控對象進(jìn)行控制，這種控制方式，偏差重復(fù)被使用，稱為重復(fù)控制。經(jīng)過幾個周期的重復(fù)控制之后可以大大提高系統(tǒng)的跟蹤精度，改善系統(tǒng)品質(zhì)。

重復(fù)控制中，一般期望重復(fù)控制作用在高頻段的增益減小。為此，在重復(fù)控制中經(jīng)常加入低通濾波器Q（s）。本控制方法取：

3.3 重復(fù)控制補(bǔ)償?shù)腜ID控制仿真及其結(jié)果

分析重復(fù)控制+雙閉環(huán)PI在Simulink仿真中重復(fù)控制用的是Transport Delay模塊，比例系數(shù)K取10，低通濾波器截至頻率取1500Hz 即

如圖6，加上重復(fù)控制后從第3個周期開始輸出信號yout跟能精確地跟蹤輸入信號rin，如圖7，位置跟蹤誤差越來越小，在第4個周期誤差不再減小。

4 雙DSP+FPGA三相逆變器的硬件設(shè)計

雙DSP+FPGA 控制系統(tǒng)功能如圖8。

圖8 為三相光伏逆變器的控制結(jié)構(gòu)框圖，逆變器的主控電路采用“雙DSP+FPGA”結(jié)構(gòu)，DSP 即數(shù)字信號處理器，采用Tl公司的TMS320F2812 芯片。FPGA 即現(xiàn)場可編程邏輯門陣列，采用XlLlNX公司的芯片。本設(shè)計采用的DSP芯片是一款定點(diǎn)型DSP，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，主頻最高達(dá)150MHz，廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域。FPGA具有強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力，能并行快速進(jìn)行多組邏輯判斷，根據(jù)DSP 和FPGA 的功能特點(diǎn)，作以下功能分配，兩片DSP芯片分別為DSPA、DSPB。

FPGA主要有四方面功能：一是控制AD 轉(zhuǎn)換芯片，對外部CT/PT及調(diào)理電路后的電壓電流信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并讀取結(jié)果，同時把結(jié)果傳送給DSPA 和DSPB; 二是作為DSPA和DSPB之間的數(shù)據(jù)交換通道;三是PWM 信號輸出;四是進(jìn)行故障檢測及IO輸出。DSPA主要負(fù)責(zé)與人機(jī)界面通訊及數(shù)據(jù)管理。DSPA讀取FPGA 中的電壓電流數(shù)據(jù)和故障狀態(tài)等信息在人機(jī)界面中顯示，以及傳送人機(jī)界面中的命令。DSPB主要負(fù)責(zé)重復(fù)補(bǔ)償控制+雙閉環(huán)控制算法的實現(xiàn)，控制輸出電壓電流的穩(wěn)定。

5 實驗結(jié)果及其分析

THD是檢驗?zāi)孀兤餍阅艿囊粋€重要指標(biāo)，本文用THD和帶電感式鎮(zhèn)流器的鈉燈能否正常工作來驗證三相逆變器的性能。5.1 THD 實驗結(jié)果

如圖9 為雙閉環(huán)PI控制算法帶鈉燈的電壓電流波形，圖10 為雙閉環(huán)PI 控制算法的電壓THD。用雙閉環(huán)PI控制帶鈉燈，電壓的THD比較大，為3.57%，而且負(fù)載電流畸變比較嚴(yán)重。

如圖11 為在雙閉環(huán)PI 基礎(chǔ)上加上重復(fù)控制帶鈉燈的電壓電流波形，如圖12 為在雙閉環(huán)PI基礎(chǔ)上加上重復(fù)控制的電壓THD。由圖11、圖12 可得結(jié)論：利用雙閉環(huán)PI控制+重復(fù)控制帶鈉燈， 電壓的THD比單純用雙閉環(huán)PI控制要小得多，為1.30%，而且負(fù)載電流畸變比較小。

5.2 鈉燈實驗結(jié)果

采用雙閉環(huán)PI控制算法實現(xiàn)的三相逆變器，帶鈉燈時會不停地閃，鈉燈不能穩(wěn)定工作，當(dāng)加上重復(fù)控制后，鈉燈不會閃爍，能夠穩(wěn)定地工作。

責(zé)任編輯：gt