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1、分 类 号 学号 2003611310043 学校代码 10487 密级 硕士学位论文逆变器波形控制及辅助功能研究学位申请人： 学科专业：电力电子与电力传动指导教师： 答辩日期： A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of EngineeringResearch on the Wave Control and Auxiliary Funcitons of InverterCandidate:Zhang NingMajor:Power Electronics a
2、nd Electric DriveSupervisor:Prof. Kang Yong Huazhong University of Science and TechnologyWuhan, Hubei P.R. China 430074April, 独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位
3、论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。本论文属于 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日摘 要目前在许多重要场合使用了逆变器，对逆变器的输出电压的波形、动态响应速度和技术功能的要求也越来越高。因此进一步开展提高逆变器性能研究是十分必要和有意义的。本文主要研究三相逆变电源的波形控制以
4、及一些逆变器功能的设计，主要内容有如下几个方面：三相逆变电源是多输入多输出的耦合系统，由于坐标变换和空间电压矢量概念的引入，使得三相系统可以灵活的在各种坐标系之间转换。本文将负载处理为扰动基础上，建立了三相逆变电源在静止ABC、静止、旋转dq坐标系下的数学模型。并使用matlab软件对三相逆变器进行了仿真，考虑了死区对逆变器的影响。最后分析了影响逆变器输出电压波形的几个重要原因。为了获得高质量输出电压，发展了多种多样的波形控制技术。基于三相系统在dq坐标下的特点，本文介绍了重复控制内模的控制器，对实际系统设计了重复控制器并在matlab中进行了仿真给出了仿真波形。通过数学分析和仿真说明了重复控
5、制存在动态响应速度慢和存在稳态误差的缺点，给出了PI瞬时值控制加重复控制内模的控制器。最后比较的PI瞬时值控制加重复控制内模的控制器和重复控制、PI瞬时控制在带整流性负载和突加负载的波形，指出了PI瞬时值控制加重复控制内模的控制器在三相逆变器中的优点。为了保证逆变器对负载供电的质量和供电安全，还设计了逆变器切换和抗冲击性负载的功能。在切换中使用数字化锁相环保证两台逆变器能够时刻保持相位的一致。分析了导致输出变压器直流不平衡的主要因素，在此基础上使用软件抗偏磁的方法来抵消变压器的直流偏磁。实验结果表明，所提方案简单有效，大大改善了系统的性能和可靠性。关键字：三相逆变器电源 重复控制 瞬时反馈 锁
6、相环 限流AbstractThe inverters are widerly used in many important situation, where Fast response and little distorted output voltage is required. It is needed and significative to improve the quality of output voltage. This dissertation focuses on the output voltage control and some important function o
7、f three phase inverters. The followings are the main work:Three phase inverters are multi-input multi-output coupling systems. With the introduction of the concept ofvoltage space vector and coordinate transformation, it is possible to let three-phase system transform among the different coordinates
8、. Supposing load as disturbance, models in ABC three phase stator coordinate, two- phase stator coordinate and two-phase rotating coordinate are established. Using MATLAB, the inverter simulating model is established where dead time effect is considered.Finally the several affect output voltage reas
9、ons are analysed.To achieve high quality output voltage, diverse voltage waveform control techniques have been developed. Based on the characters of three phase systems in dq coordinate, repetitive control strategy is introduced and one repetitive controller is designed for a system.Using MATLAB,the
10、 simulation waves are got . With the mathmatics analysis and these waves ,the repetitive control faults that are slowly dynamic response and steady error are explained. one control strategy is present which is base component instantaneous feedback control model paralleling with harmonic component re
11、petitive controller is given to solve these faults.Comparing the output voltage of repetitive controller with instantaneous feedback controller paralleling with repetitive controller, the merits of instantaneous feedback controller paralleling with repetitive controller are pointed out.In order to s
12、afely supply power to load ,the inverter functions of switching and current limiting are designed. Two inverters use the digital phase lock loop to ensure they have accord phase. The paper analyzed the main cause causing the magnetic bias and proposed a sofware method. Experimental result proves tha
13、t the proposed method is very simple and practical and the system quality and reliability is improved.Keywords: three-phase inverter repetitive control instantaneous feedback control digital phase lock loop current limiting目 录摘要IABSTRACTII1 绪论1.1 电力电子技术(1)1.2 逆变器概述(1)1.3 逆变器的控制技术(5)1.4 本文研究的主要内容(11)
14、2 PWM逆变器的数学模型2.1 三相逆变器的数学模型(12)2.2 三相逆变器的仿真(18)2.3 逆变器存在的问题(21)2.4 本章小结(23)3 逆变器波形控制研究3.1 重复控制理论(24)3.2 常用的重复控制器(25)3.3 重复控制器的设计与仿真(28)3.4 重复控制器的缺点(34)3.5 改进的重复控制(36)3.6 本章小结(42)4 逆变器的辅助功能4.1 逆变器切换技术(43)4.2 逆变器抗冲击保护的功能(47)4.3 逆变器抗直流偏磁(50)4.4 本章小结(54)5 全文总结(56)致谢(58)参考文献(59)附录 攻读硕士学位期间发表的论文(63)1 绪 论1
15、.1 电力电子技术电力电子技术（Power Electronics）是二十一世纪重要的关键技术之一。美国电气和电子工程师协会（IEEE）对电力电子技术的阐述是：“有效地使用电力半导体器件，应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换1。电力电子技术包括电力电子器件、电力电子变换技术和控制技术三个部分，其中以电力电子器件的制造技术为核心技术。电力电子技术是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前，电力电子技术已
16、逐渐成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。电力电子器件是电力电子技术的基础，电力电子技术是随着电力半导体器件的发展而发展的。从1957年以晶闸管为核心的传统电力电子技术阶段开始，到70年代后期可关断晶闸管、电力晶体管及其模块的问世，期间伴随着微电子技术和电力电子技术的发展与结合。其后出现的功率场控晶体管、绝缘门极晶体管等形成了一个新的全控型器件大家族。这些器件正沿着功率化、快速化、模块化和智能化的方向发展2。电力电子变换技术就是利用电力电子开关器件作为开关管，按一定的拓扑结构连接的电能控制、变换电路所完成的变换功能。按其功能大致可分为：(1)AC/DC整流器；(2)DC/AC逆变器；(3)D
17、C/DC斩波器；(4)AC/AC直接变换器。在各种电力电子装置中，逆变电源是应用范围最广的，直接DC/AC变换或间接AC/AC变换的场合，都需要逆变电源。1.2 逆变器概述1.2.1 逆变器的应用范围和分类随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，一些重要的用电部门（如机场、医院、银行）和一些重要的用电设备（如计算机、通信设备）对供电质量的要求越来越高，不仅要求不停电，还要求电压、频率、波形准确完好，如不间断电源（Uninterruptible Power Supply，简称UPS）广泛应用于计算机、程控交换机、数据处理系统、医疗诊
18、断仪及精密电子仪器等不能中断供电的场合。所以电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，电子设备的故障60来自于电源，于是电源越来越受到人们的重视。仅就其中的开关电源而言，2000年我国的产值在1999年的基础上上升了14%，达到80亿（其中通信电源48亿，电力电源32亿），它仅占世界开关电源总产值的4.6 。逆变器的应用如此广泛，类型也很多。其基本类型有1-3：1. 按直流电源的类型，逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器。电压型逆变器的输入为直流电压源，逆变器将输入的直流电压逆变输出交流电压；电流型逆变器的输入端串接有很大的电感，形成平稳的直流电流源，逆变器将输入的直
19、流电流逆变为交流电流输出。2. 按输出交流电压的性质，可以分为恒频恒压正弦波逆变器和方波逆变器，变频变压逆变器，高频脉冲电压（电流）逆变器。3. 按逆变器的结构，可以分为单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式逆变器4. 依据开关器件及其关断（换流）方式的不同可分为采用全控型开关的自关断换流逆变器和采用晶闸管半控型开关的强迫关断晶闸管逆变器两类。晶闸管逆变器也可利用负载侧交流电源电压换流（又被称为有源逆变器）、负载反电势换流或负载谐振换流。逆变器的输出可以做成任意多相。实际应用中大都只采用单相或三相。早期，中高功率逆变器采用晶闸管开关器件，晶闸管一旦导通就不能自行关断，关断晶闸管需要设置强迫关断（
20、换流）电路。强迫关断电路增加了逆变器的重量、体积和成本，降低了可靠性，也限制了开关频率。现今，绝大多数逆变器都采用全控型电力半导体开关器件。中等功率逆变器多用IGBT、IGCT，大功率多用GTO，小功率则用P-MOSFET。本文主要研究恒压恒频的电压型逆变器，以后所指逆变器如没有特殊说明都是这种逆变器。1.2.2 PWM逆变器的工作原理直流/交流电功率变换称为逆变,逆变器的输入是直流电,输出为交流电。逆变器由主电路和控制系统两部分组成。图1-1为单相逆变器的主电路图。图1-2 逆变电路电压波形图1-1 单相逆变器的主电路图由图1-1可见，当开关S1、S4导通，S2、S3关断时，输出端可获得正极
21、性的瞬时电压；而当S2、S3导通， S1、S4关断时，输出端即获得负极性的瞬时电压。以一定的频率切换两组开关的导通状态，即可实现由直流电压到交流电压的变换。S1（S4）与S2（S3）的驱动信号互补，即S1、S4有驱动信号时，S2、S3无驱动信号，反之亦然。S1、S4 和S2、S3周期性地改变通、断状态，周期T对应2弧度，输出电压V基波频率f=1/T，角频率=2f。如果在期间，S1、S4有门极驱动信号而同时处于通态，S2、S3截止，则；在期间，S2、S3有门极驱动信号而同时处于通态，T1、T4截止，则。因此输出电压V，是图1-2所示180宽的方波电压，幅值为。简单的按照这种方法控制，只能获得方波
22、型交流电压输出，其谐波含量很大，幅值也无法调节。而在实际应用中通常希望逆变器输出电压、功率以及频率能够得到有效的控制和调节。逆变器输出电压的频率仅取决于开关管驱动信号频率，因此逆变器频率控制比较简单，逆变器电压和波形控制则比较复杂，逆变器的波形控制技术在后面详细介绍，而逆变器输出电压可以通过PWM（Pulse Width Modulation脉宽调制）技术可以解决这个问题。PWM技术的理论依据是惯性对象脉冲响应的“冲量等效”现象。采样控制理论有一个重要的原理冲量等效原理1-3：大小、波形不相同的窄脉冲变量，作用于惯性系统时,只要它们的冲量,即变量对时间的积分相等,则它们所形成的电流响应就相同。
23、因此只要对逆变器的开关器件进行适当的控制，使得每个脉波的平均电压、脉波宽或占空比按一定的规律变化，则逆变电路输出的多脉波电压就能与正弦电压等效。如果按同一比例的正弦规律改变所有脉波的宽度，则可成比例的调控输出电压中的基波电压值，这种控制方法被成为正弦脉宽调制SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）。采用了PWM技术的逆变器即为PWM逆变器。图13 正弦PWM调制原理1.2.3 PWM逆变器的要求随着超大规模集成电路技术的发展，微处理器的性能飞速提高，成本价格不断下降，使得开关型电力变换装置的全数字化控制日益增多，模拟控制已逐渐被数字控制取代。与模拟控制相比
24、，PWM逆变电源采用全数字化控制具有以下明显优势4：(1) 温度漂移小，抗干扰能力强，可靠性高，稳定性好。(2) 数字式部件结构牢固，体积小，重量轻，耗能少,易于标准化。(3) 提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力,使系统更趋于智能化,系统维护方便；(4) 控制策略灵活，可以方便实现许多复杂、智能的算法提高性能。虽然数字控制相比于模拟控制有诸多的优势，但随着信息技术的推广,对逆变器也提出了更高的要求,高性能的逆变电源必需要满足:1) 高的输入功率因数，低的输出阻抗；2) 稳定性高，效率高，可靠性高；3) 动态响应快速，稳态精度高；4) 低的输出电压谐波畸变率，例如，要求100%整流负载
25、且负载电流波峰因子为3 时，输出电压总谐波畸变率不超过5%，单次谐波畸变率不超过3%。5) 具有一定的过载能力和抗冲击的能力；6) 体积小，重量轻，尽可能高频化、小型化、轻量化；7) 低的电磁干扰；8) 模块化和并联冗余式供电系统用以扩大总容量和提高可靠性，相应的控制电路应包含均流控制电路；9) 智能化；10) 完善的网络功能为了满足逆变器的这些要求产生了很多适合逆变器的控制技术。1.3 逆变器的控制技术逆变器的控制技术包括硬件实现和控制策略。1.3.1 硬件技术随着集成电路的发展，微处理器性能的不断提高，在中大功率场合，电力电子电路控制系统逐渐由模拟控制向模数或全数字控制转化。数字控制的实现
26、使得许多复杂的控制算法得以实现，使得电力电子装置在提高性能的同时，也向智能化方向发展。数字控制相对于模拟控制，有一系列的优点：(1) 硬件电路通用化、标准化，可靠性提高；(2) 缓和了元器件老化，参数漂移等问题；(3) 控制软件灵活，可以实现复杂而性能优异的控制策略；(4) 借助其数字通信端口，可以实现计算机控制和网络监控。目前，美国TI(Texas Instruments)公司的TMS320系列DSP已成为中大功率电力电子应用场合的主流控制芯片。如TMS320F2403,其主要性能如下：l 16位定点运算，指令周期为50ns，且大多数指令为单周期。l 片内集成16K字FLASH ROM 和5
27、44字RAM。l 两组各8路并行10位高速A/D转化器。l 专门用于产生PWM信号和记录外部输入脉冲发生时刻的事件管理器，脉冲定时分辨率可达50ns。l 异步、同步串行通信接口和外设接口；l 大量的多功能复用数字I/O接口等。数字控制器的性能主要依赖于微处理器的采样时间和指令执行时间，其控制的实时性是阻碍数字控制实现的主要原因，微电子技术的突飞猛进使得该障碍得以克服。1.3.2 控制策略电力电子技术的发展离不开对功率器件、电路拓朴结构的研究，更离不开各种控制理论的发展。从1932 年奈奎斯特（H. Nyquist）发表反馈放大器的稳定性论文以来，控制理论学科的发展历经经典控制理论、现代控制理论
28、和智能控制等阶段。其控制对象也由简单的单输入单输出的常系数线性系统，拓展为复杂的多输入多输出非线性系统、柔性系统及离散事件动态系统等。这些控制理论大量应用或初步尝试应用于DC/DC 变换器、逆变器的研究中，多年来PWM 逆变器控制技术作为一个研究热点，产生了多种控制方案，现综述如下5：1. PID控制PID控制由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于自动控制领域。早期逆变器的波形控制通常采用模拟PID控制，单纯采用输出电压的瞬时值反馈，利用模拟PID控制器进行调节。为提高控制效果，如图1-4所示，可以将参考正弦波的前馈控制与输出电压误差的PID控制结合起来，提高逆变器的动态响应性能，改
29、善输出波形的质量。由于PID控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪，实际上往往需要增设外环均值反馈以保证系统的稳态精度。图1-4 逆变器PID控制原理框图随着DSP的出现，逆变器的瞬时值反馈数字PID控制成为可能。由于逆变器空载时有很强的振荡性，积分环节又引入新的相位滞后，为保证系统稳定，比例环节的作用不能太强；加上数字控制的采样保持、运算时间引入的相位滞后以及量化误差等因素的影响，减小了最大可得到的脉宽，使得逆变器的输出电压波形畸变较高，特别是在非线性负载条件下输出电压的THD值较大。文献6提出了一种预测型PID控制器，较好地克服了时间滞后造成的影响。文献7提出了一种采用极点配置来设计PID参数
30、的方法，大大的简化了控制系统的设计。通过各种补偿措施、采用高速A/D和高速DSP以及提高开关频率的方法可以在一定程度上改善数字PID控制的效果，但方案的性价比不高。2. 双环控制由于逆变器输出端LC滤波器具有欠阻尼二阶频率特性，单环控制对于交流电压图1-5 双环控制原理框图的调节有些力不从心。为改善性能，如图1-5所示，可以在PWM逆变器电压单环的基础上增设电感/电容电流内环，利用电流内环快速、及时的抗扰动性能来改善输出波形。同时，通过电流内环对被控对象的改造，可以大大简化电压外环的设计。文献8采用输出电压解耦以使电流环得到满意的响应性能，同时采用负载扰动补偿来抑制负载变化的影响，从而提高逆变
31、器的刚性；文献9基于相同结构的预测型电压和电流调节器实现对逆变器的控制，都显示了较好的动、静态性能。文献10对几种双环控制结构作了比较，通过前馈解耦控制大大改善了控制系统的性能。但双环控制要求对逆变器在不同控制器参数下的开环和闭环频率特性进行全面的分析，此外由于电流内环为抑制输出电压和非线性负载的扰动，必须具备足够高的带宽，才能获得满意的性能，这加大了数字控制器实现的难度。3. 无差拍控制状态变量的无差拍控制最早是由Kalman于1959年提出，20世纪80年代中期开始将其应用于逆变器控制，其原理框图如图1-6所示。无差拍控制是一种基于离散数学模型实现的PWM方案，它根据正弦参考指令和测量的状
32、态反馈变量，由微机来计算下一个开关周期的脉冲宽度，控制逆变器开关动作以使下一个采样时刻的输出电压准确等于正弦参考指令11。无差拍控制有优良的动态响应特性，当电源或负载突然变化从而使输出电压发生偏差时，只要一个开关周期就可以使输出电压再次跟踪给定值，即使开关频率不高也能得到较好的输出波形品质。此外，无差拍控制能够通过调节逆变桥臂输出波形的相位来补偿LC滤波器的相位延迟，使输出电压的相位跟踪给定正弦波信号而与负载无关。但是无差拍控制需要精确的数学模型，由于非线性、负载变化和参数波动等因素的影响，系统的数学模型具有较大的不确定性，反馈增益需要通过试凑法人工调节，因此系统的鲁棒性不强，容易造成输出性能
33、恶化甚至不稳定；在非线性负载时THD较高，不能完全消除稳态误差；除此之外，为获得无差拍效果，可能需要过大的、超出限幅值的控制输出信号。图1-6 逆变器无差拍控制原理框图4. 重复控制 重复控制源于控制理论中的内模原理，内模原理把作用于系统外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度的反馈控制系统，最早是用于重复性机械运动机构的控制，如磁盘驱动器。在大多数应用中，重复控制采用数字方法实现。逆变器的重复控制主要用于消除死区效应和非线性负载等周期性扰动的影响，改善输出电压的波形质量，其基本思想是假定前一基波周期中出现的畸变将在下一基波周期的同一时间重复出现，控制器根据每个开关周期给定信号与反馈信号的误
34、差来确定所需的校正信号，然后在下一基波周期的同一时间将此信号叠加在原控制信号上，以消除以后各周期中将出现的重复性畸变12。为提高系统对指令的快速响应能力，可以加入前馈控制，如图1-7所示。图1-7 逆变器重复控制原理框图重复控制算法简单，只需对输出电压进行采样，就能使逆变器在周期性扰动下获得低THD的稳态输出波形，但由于在重复控制器内存在着基波周期延迟环节，输出是逐周期进行调节的。在负载阶跃变化的第一个基波周期内，重复控制器不产生任何调节作用，近乎处于开环状态，动态响应较差；此外，若扰动是非周期性的，重复控制将增大输出电压的误差。为解决这个问题，文献12提出了一种自适应重复控制方案，自适应参数
35、调节器采用在线递归算法对控制对象的参数进行识别，利用辅助补偿器使闭环系统稳定，因此需要复杂的系统模型；文献13将鲁棒模型参考自适应控制器与重复控制器相结合，既能够有效消除未知周期性扰动导致的周期性波形畸变，又能够在存在模型误差时保证全局稳定，而且不需要逆变器精确的数学模型，取得了较好的效果。5. 状态反馈控制一般认为，从状态空间的角度看，单闭环控制系统性能不佳的原因是单纯的输出反馈没有充分利用系统的状态信息，如果将输出反馈改为状态反馈可以改善控制效果。状态反馈波形控制系统需要多个状态变量反馈，但并不构成分立的多环控制系统，而是在状态空间上通过合理选择反馈增益矩阵来改变对象的动力学特性，以实现不
36、同的控制效果。采用状态反馈可以任意配置闭环系统的极点，从而改善系统的动态特性和稳定性，这是状态反馈控制的最大优点。状态反馈系数的确定大致有两种方法：根据系统要求给出期望闭环极点，推算状态反馈增益矩阵。应用最优控制原理，使系统的阶跃响应接近理想输出，据此确定状态反馈增益76。文献中往往将状态反馈作为内环、以其它的控制策略作为外环形成复合控制方案，利用状态反馈改善逆变器空载阻尼比小、动态特性差的不足，与外环共同实施对逆变器的波形校正。状态反馈控制如果对负载扰动不采取有针对性的措施，则会导致稳态偏差和动态特性的改变。6. 滑模变结构控制滑模变结构控制最大的优势是对参数变动和外部扰动不敏感，系统的鲁棒
37、性特别强。早期逆变器采用模拟控制实现滑模变结构控制，存在电路复杂、控制功能有限的弱点。基于微处理器的滑模变结构控制完全不同于常规的连续滑模控制理论，需要离散滑模控制技术，文献43通过引入前馈改善离散滑模控制的稳态性能，文献44通过自矫正措施改善负载扰动的影响。但是滑模控制存在理想滑模切换面难以选取、控制效果受采样率的影响等弱点，它还存在高频抖动现象且设计中需知道系统不确定性参数和扰动的界限，抖动使系统无法精确定位，测定系统不确定参数和扰动的界限则影响了系统鲁棒性进一步发挥7. 神经网络控制神经网络控制是近几年来兴起的一种智能控制方式，它模仿人的大脑实现对系统的控制，适用于线性及非线性系统。神经
38、网络学习所需的各种实例来自于实验和仿真得到的数据，选择一种学习算法，应用所获实例，通过离线学习获得系统最佳控制规律，应用到实际系统中去实现在线控制。由于其控制规律不依赖于系统模型，而且学习实例包含了各种情况，因此系统控制鲁棒性很强，但由于神经网络的实现技术没有突破，还没有成功应用于逆变器控制之中。8. 模糊控制电力电子装置往往是一个多变量、非线性时变的系统，系统的复杂性和模型的精确性总是存在矛盾，而模糊控制能够在准确和简明之间取得平衡，有效地对复杂事物做出判断和处理。模糊控制属于智能控制，其优点是：不依赖被控对象的精确模型，具有较强的鲁棒性和自适应性；查找模糊控制表只需要占用处理器很少的时间，
39、因而可以采用较高采样率来补偿模糊规则和实际经验的偏差。理论证明模糊控制可以任意精度逼近任何非线性函数，但受到当前技术水平的限制，模糊变量的分档和模糊规则数都受到限制，隶属函数的确定还没有统一的理论指导，带有一定人为因素，因此模糊控制的精度有待于进一步提高。从上述控制方案可见，每一种控制方案有其特长，也存在某些问题，因此，一种必然的发展趋势是各种控制方案互相渗透，取长补短，优势互补结合成复合的控制方案。其中前几种是常用的控制方法，(1)、(2)、(3)都是基于瞬时的控制，根据当前误差对逆变器的输出波形进行有效的实时控制，动态性能好。而重复控制是基于周期的控制，是通过对前一周期或多个周期的输出波形
40、进行处理，利用所得到的结果对当前的控制进行校正的控制方法。从本质上看，基于周期的控制是通过对误差的周期性补偿，实现稳态的无静差效果，除重复控制之外还有谐波反馈控制1.4 本文研究的主要内容本文以数字化控制的逆变器为研究对象，研究工作主要体现在以下几个方面：(1) 建立了三相电压型PWM逆变器的数学模型包括经过坐标变换以后的数学模型，建立逆变器的仿真模型。(2) 介绍重复控制理论的基础上,对实际系统设计了合适的重复器,在matlab中仿真实现。通过数学计算和仿真找到重复控制的缺点，比较两种改进的重复控制的优缺点。(3) 为了提高逆变器的性能和可靠性，设计了逆变器的切换、限流和抗偏磁的功能，在样机
41、中得到了很好的效果。2 PWM逆变器的数学模型本文研究的对象是三相逆变电源, 建立三相VSI（电压源型逆变电源）的数学模型，是分析和研究三相PWM逆变电源的基础。对三相VSI系统的分析，一般分为两种：标量分析法和矢量分析法。标量分析法是把三相变量看成三个量，对系统进行电路分析，从而建立系统标量模型；矢量分析法是把一组三相变量看成一个空间矢量，从而建立系统空间矢量模型。2.1 三相逆变器的数学模型图2-1是三相逆变器主电路，由三相逆变桥、三相滤波器组成。假定三相滤波器对称、一致，滤波电感为，滤波电容为，代表电感损耗、线路阻抗及开关开通与关断损耗的总效应。图2-1 三相逆变器主电路ABCabc数学
42、上，三相逆变桥可用如下开关矩阵表示：(2.1)其中，、为开关函数，开关函数定义如下：对由逆变桥的任两个输出端、或组成的环路列写基耳霍夫电压方程，对滤波器输出端端点、和列写基耳霍夫电流方程，可以得到三相滤波器的状态方程为： (2.2) 把上式写成矩阵的形式为: (2.3) 将等式(2.1)代入式(2.3)可得下式: (2.4) 或者表示成：图2-2 三相电压矢量图其中，为三阶单位阵在进行坐标变换前,首先介绍一下空间矢量的定义。在交流电机调速系统中，将三相电压分别定义在A、B、C三相定子绕组的轴线上，则三相电压可用三个矢量来表示。同样我们可以可将三相逆变电源的三相电压分别定义在空间互差120的坐标
43、轴上（如右图所示）。则合成矢量Xr的值为：（1） 坐标变换式(2.1)所推导的数学模型以三相无中线逆变器为研究对象的，所以在状态方程中的六个量之间不是完全独立，它们之间有如下式的关系： (2.5) 所以式（2.4）中其实只有四个独立的变量,根据空间矢量的定义,可以将三相模型转换到两相坐标系下，简化系统模型，降低系统阶次。如果定义坐标系的轴与A相轴线重合，超前90的为轴，则可以求出同一个空间矢量在三相ABC坐标系和坐标系中的2组坐标分量应满足如下的关系： (2.6) 或者： (2.7) 式（2.6）和式(2.7)分别是坐标系到ABC坐标系、ABC坐标系到坐标系的变换等式。由上面和式（2.4）可得
44、逆变器的坐标系下的状态方程为: (2.8)对上式进行整理，可得到平衡三相PWM逆变电源在、坐标系下数学模型为： (2.9) (2.10)其中 根据上式可以看出轴上的状态变量、与轴上的状态变量、没有任何耦合关系,是相互独立的，并且，系统在()轴上的状态方程与单相PWM逆变器的状态方程一致，因此可知道：平衡的三相PWM逆变器模型经3S/2S坐标变换之后，可以等效地转化为两个相互独立的单相PWM逆变器。(2)同步旋转dq坐标系根据空间矢量的定义,可以得到逆变器输出三相电压的合成矢量是以的角速度在匀速旋转的，所以如果定义一个以的角速度旋转的坐标系，那么三相逆变器的数学模型可以进一步的简化。定义一个dq坐标系，q轴超前d轴90，坐标系以的角速度与空间合成矢量同步旋转。利用空间合成矢量相等的原则，三相ABC坐标系与两相旋转dq坐标系之间的转换关系为： (2.11) (2.12) 图2
