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【摘 要】本文针对400Hz单相中频逆变器常用的电压外环电容电流内环双环控制的PI调节器进行了设计。给出了详细的设计过程和仿真结果，证明了设计结果能够得到良好的使用性能。
【关键词】400Hz中频逆变器；电容电流反馈；PI调节器设计
1.引言
400Hz中频逆变器在雷达、船舰、导弹、飞机、通信、车辆等工业领域中有着非常广泛的应用，但由于功率器件开关频率的限制，使得相比于常规的工频50Hz/60Hz逆变器，400Hz中频逆变器的输出交流电压谐波含量更大，动态响应速度更慢，通过优化控制参数以达到输出要求是一种很好的解决途径。
在逆变器的众多控制策略中，内环电容电流反馈双环控制以其优异的性能，受到了各国研究者的青睐。它由一个响应速度很快的电容电流内环和一个响应速度相对较慢的电压外环组成。本文依据常用的单相全桥逆变器拓扑结构，借助频域分析方法和等效输出阻抗这一参数[1]，对上述双环控制PI调节器进行了优化设计，并进行了仿真研究。
2.电压外环电容电流内环控制器设计
本文主要进行的是控制参数研究，研究使用的拓扑结构为单相全桥逆变器，采用外环电压和内环电容电流反馈（等价于电感电流反馈+负载电流反馈） [1-3]控制策略的结构图及其控制框图如图1所示。
图1 内环电容电流反馈结构图及其控制框图
表1 单相逆变器模型的参数
参数 取值
额定容量 S=2KVA
LC滤波电感 L=0.21115mH
LC滤波电容 C=4.7984uF
直流电压源 Vdc=400V
开关频率 fs=50KHz
输出电压 Vo=115rms
输出电压基波频率 f=400Hz
PWM调制器 VM =4
图1中，Gv（s） 和Gi（s）分别表示电压环PI调节器、电流环PI调节器，1/VT表示PWM调制等效增益。设定该拓扑结构的参数如表1所示，采用单极倍频SPWM调制方法，其中LC滤波器参数的设计依据为文献[4]。
为简化起见，这里的阻抗Zo采用纯阻性负载，根据计算可以算得满载时的阻性负载Zo6.6125W。
2.1 电流内环PI调节器的设计
在本论文中，主要还是借助频域分析的方法来完成PI调节器的设计。电流内环闭环传递函数为：
（1）
给定电流环的截止频率为wc=2p?20K（rad/s），相角裕量设定为45°，根据下面的计算公式可以计算电流调节器Gi参数：
（2）
由式（2）计算可得到电流调节器Gi参数为：
（3）
由式（3），可以得出补偿后电流内环闭环传递函数在不同负载情况下的频域伯德图，如下图2所示。
图2电流内环闭环传递函数伯德图
图2表明，无论负载为满载还是空载，补偿后的电流内环闭环在低频段的增益非常接近于1，说明电流输出对参考电流有很好的跟踪能力。
2.2 电压外环PI调节器的设计
电流内环的闭环传递函数Hi_c（s）确定后，由图1可得电压环开环传递函数：
（4）
给定电压外环的截止频率为2π×5K（rad/s），相角裕量52°，计算可得电压外环的PI调节器参数为
（5）
由式（4）、 （5）可计算得出闭环传递函数，其伯德图如图3所示。
图3电压外环闭环传递函数伯德图
图3表明，闭环传递函数的幅频特性都比较良好。
2.3仿真结果
根据以上的理论分析，用MATLAB/simulink仿真软件进行仿真分析，其中的逆变器模型参数如表1所示，调制方式为单极倍频SPWM调制得到仿真结果如图4所示。
（a） （b）
圖4（a） 输出电压、负载电流 （b） 输出电压、参考电压
从图4的仿真波形可以看出，阻性满载时，输出电压能够很好的跟踪参考电压，输出电压和输出电流都有较好的波形。
3.结论
本文主要借助等效输出阻抗这一概念，针对电压外环电容电流内环反馈控制策略进行了控制参数设计，仿真结果表明，参数设计结果证明了设计结果能够得到良好的使用性能。
参考文献：
[1]P C Loh，M J Newman，D N Zmood，and D G Holmes. A comparative analysis of multi-loop voltage regulation strategies for single and three-phase UPS systems[J].IEEE Trans.Power Electron.，2003，18（5）：1176-1185.
[2]N M Adbel-Rahim and JE Quaicos.Analysis and design of a multiple feedback loop control strategy for single-phase voltage source UPS inverters[J].IEEE Trans.Power Electron.，1996，11（4）：532-541.
[3]A Roshan，R Burgos，A C Baisden，F Wang，D.Boroyevich.A D-Q frame controller for a full-bridge single-phase inverter used in small distributed power generation systems[C].in Proc.IEEE Appl.Power Elec-tron.Conf.，2007.
[4]愈杨威，金天均，谢文涛，吕征宇.基于PWM逆变器的LC滤波器[J].机电工程，2007，24（5）：50-52.
作者简介：
朱黎丽，1981 年生，女，出生于山西临汾，硕士，讲师，主要研究领域：电机与电力拖动、数字控制技术、电气控制技术。
【关键词】400Hz中频逆变器；电容电流反馈；PI调节器设计
1.引言
400Hz中频逆变器在雷达、船舰、导弹、飞机、通信、车辆等工业领域中有着非常广泛的应用，但由于功率器件开关频率的限制，使得相比于常规的工频50Hz/60Hz逆变器，400Hz中频逆变器的输出交流电压谐波含量更大，动态响应速度更慢，通过优化控制参数以达到输出要求是一种很好的解决途径。
在逆变器的众多控制策略中，内环电容电流反馈双环控制以其优异的性能，受到了各国研究者的青睐。它由一个响应速度很快的电容电流内环和一个响应速度相对较慢的电压外环组成。本文依据常用的单相全桥逆变器拓扑结构，借助频域分析方法和等效输出阻抗这一参数[1]，对上述双环控制PI调节器进行了优化设计，并进行了仿真研究。
2.电压外环电容电流内环控制器设计
本文主要进行的是控制参数研究，研究使用的拓扑结构为单相全桥逆变器，采用外环电压和内环电容电流反馈（等价于电感电流反馈+负载电流反馈） [1-3]控制策略的结构图及其控制框图如图1所示。
图1 内环电容电流反馈结构图及其控制框图
表1 单相逆变器模型的参数
参数 取值
额定容量 S=2KVA
LC滤波电感 L=0.21115mH
LC滤波电容 C=4.7984uF
直流电压源 Vdc=400V
开关频率 fs=50KHz
输出电压 Vo=115rms
输出电压基波频率 f=400Hz
PWM调制器 VM =4
图1中，Gv（s） 和Gi（s）分别表示电压环PI调节器、电流环PI调节器，1/VT表示PWM调制等效增益。设定该拓扑结构的参数如表1所示，采用单极倍频SPWM调制方法，其中LC滤波器参数的设计依据为文献[4]。
为简化起见，这里的阻抗Zo采用纯阻性负载，根据计算可以算得满载时的阻性负载Zo6.6125W。
2.1 电流内环PI调节器的设计
在本论文中，主要还是借助频域分析的方法来完成PI调节器的设计。电流内环闭环传递函数为：
（1）
给定电流环的截止频率为wc=2p?20K（rad/s），相角裕量设定为45°，根据下面的计算公式可以计算电流调节器Gi参数：
（2）
由式（2）计算可得到电流调节器Gi参数为：
（3）
由式（3），可以得出补偿后电流内环闭环传递函数在不同负载情况下的频域伯德图，如下图2所示。
图2电流内环闭环传递函数伯德图
图2表明，无论负载为满载还是空载，补偿后的电流内环闭环在低频段的增益非常接近于1，说明电流输出对参考电流有很好的跟踪能力。
2.2 电压外环PI调节器的设计
电流内环的闭环传递函数Hi_c（s）确定后，由图1可得电压环开环传递函数：
（4）
给定电压外环的截止频率为2π×5K（rad/s），相角裕量52°，计算可得电压外环的PI调节器参数为
（5）
由式（4）、 （5）可计算得出闭环传递函数，其伯德图如图3所示。
图3电压外环闭环传递函数伯德图
图3表明，闭环传递函数的幅频特性都比较良好。
2.3仿真结果
根据以上的理论分析，用MATLAB/simulink仿真软件进行仿真分析，其中的逆变器模型参数如表1所示，调制方式为单极倍频SPWM调制得到仿真结果如图4所示。
（a） （b）
圖4（a） 输出电压、负载电流 （b） 输出电压、参考电压
从图4的仿真波形可以看出，阻性满载时，输出电压能够很好的跟踪参考电压，输出电压和输出电流都有较好的波形。
3.结论
本文主要借助等效输出阻抗这一概念，针对电压外环电容电流内环反馈控制策略进行了控制参数设计，仿真结果表明，参数设计结果证明了设计结果能够得到良好的使用性能。
参考文献：
[1]P C Loh，M J Newman，D N Zmood，and D G Holmes. A comparative analysis of multi-loop voltage regulation strategies for single and three-phase UPS systems[J].IEEE Trans.Power Electron.，2003，18（5）：1176-1185.
[2]N M Adbel-Rahim and JE Quaicos.Analysis and design of a multiple feedback loop control strategy for single-phase voltage source UPS inverters[J].IEEE Trans.Power Electron.，1996，11（4）：532-541.
[3]A Roshan，R Burgos，A C Baisden，F Wang，D.Boroyevich.A D-Q frame controller for a full-bridge single-phase inverter used in small distributed power generation systems[C].in Proc.IEEE Appl.Power Elec-tron.Conf.，2007.
[4]愈杨威，金天均，谢文涛，吕征宇.基于PWM逆变器的LC滤波器[J].机电工程，2007，24（5）：50-52.
作者简介：
朱黎丽，1981 年生，女，出生于山西临汾，硕士，讲师，主要研究领域：电机与电力拖动、数字控制技术、电气控制技术。