论文总字数：24780字

摘 要

随着电力电子技术的发展，逆变电源的应用日益广泛。PWM逆变器是逆变电源的核心，要求它能够输出高质量的电压波形，尤其是在非线性负载情况下仍能够得到接近正弦的输出波形，因此各种各样的逆变器波形控制技术得以发展。其中逆变器控制技术是根据当前误差对逆变器输出波形进行有效的实时控制，所以，如果控制器设计合理，则既能保证系统具有较好的稳态性能，同时又可以保证系统具有较快的响应速度。本文的主要研究内容是首先对单相逆变器进行了理论分析，建立了数学模型，并结合仿真和实验对其控制性能进行了深入研究。

基于状态空间平均法给出了PWM逆变器的传递函数形式和状态方程形式的数学模型，并分析了线性和非线性负载状态下对逆变器输出电压的影响，通过对PWM逆变电源输出特性的分析，并通过极点配置对PID控制器参数进行设计，最后在Matlab/Simulink中进行仿真研究。

着重分析比较了单闭环控制系统和双闭环控制系统以及基本思想，提出了带负载电流前馈的双闭环控制系统。采用极点配置的方法设计控制参数，在闭环系统配置相同的阻尼比和自然频率的前提下对两种控制方式进行仿真比较。

关键词：PWM逆变器；数学模型；控制技术；MATLAB仿真

The control model and simulation of single phase inverter

Abstract

Inverter is the core of a UPS system, voltage required to get high quality output, especially nearly sinusoidal output voltage with nonlinear loads, many waveform control technique for inverter to development. The inverter control technology is based on the current error control in real time, effective on the inverter output waveform so, if the controller is designed properly, it can ensure that the system has good steady-state performance, but also can ensure that the system has fast response speed. The main content of this paper is the first theoretical analysis of single-phase inverter, established the mathematical model, and combined with simulation and experimental study is conducted for the performance of its control.

Secondly, the mathematic model of function and equation of state of PWM inverter based on the state space average method, and the analysis of the linear and nonlinear load effect on the output voltage of the inverter state, through the analysis of the output characteristics of PWM inverter power supply, and the parameters of the PI controller is designed by pole placement, finally, simulation research in Matlab/Simulink.

We compare the single loop control system and double closed loop control system and the basic idea, the double closed loop control system with load current feedforward is proposed. Using pole placement method of control parameters, the closed-loop system configuration identical damping ratio and natural frequency of the two control methods are compared by simulation.

Keywords: PWM inverter; mathematical model; control technology; MATLAB simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 逆变控制的发展 1

1.2.1 逆变技术发展过程 1

1.2.2 逆变技术现状 2

1.2.3 逆变器的仿真 2

1.3 PWM逆变器控制技术 2

1.4 单相逆变器的仿真 4

1.5 主要内容及总体安排 5

第二章 单相逆变器 6

2.1 单相逆变器介绍 6

2.2 单相逆变器基本工作原理 7

2.3 单相逆变器数学模型 8

2.3.1 单相电压型PWM逆变器等效电路 8

2.3.2 单相电压型PWM逆变器状态模型电路 8

2.3.3 单相电压型PWM逆变器等效结构框图 9

2.3.4 单相逆变器开环特性 10

2.3.5 单相逆变器仿真模型 11

2.3.6 非线性负载 12

2.4 本章小结 14

第三章 单相逆变器单闭环PID控制技术研究 15

3.1 基于极点配置的单闭环PID控制器设计 15

3.1.1 单闭环控制系统的频率特性 16

3.2 单闭环控制系统带负载仿真 18

3.3 本章小结 21

第四章 单相逆变器双闭环PID控制技术研究 22

4.1 双闭环控制系统 22

4.2 双闭环控制系统的设计 23

4.2.1 双闭环控制系统的频率特性 24

4.2.2 双闭环控制系统带负载仿真 29

4.3 本章小结 34

第五章 总结与展望 35

5.1 单闭环控制和双闭环控制比较 35

5.2 极点配置的优越性 35

5.3 展望 35

致谢 37

参考文献 38

附录 40

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

逆变器的应用非常广泛，它是完成DC/AC变换的电力电子装置，不仅交流电动机和交流负载等需要逆变器供电，在很多直流电源变换系统中也需要用到逆变器。随着各行各业技术的发展，许多设备对电能质量要求越来越高，由电网直接提供的原始电能已经不能满足这些用电设备的需求，原始电能必须经过变换后才能给这些设备使用，在变换环节中通常都有逆变器。此外，在新能源和直流输电等系统中，逆变器都是其中的重要环节。在逆变器的控制方面，模拟控制技术比较成熟，在各种电力电子装置的控制中占据着重要席位，但是模拟控制存在着元器件易老化，抗干扰差，智能化程度偏低，产品升级复杂等问题。数字控制的优势在于具有良好的稳定性，智能化程度高，易于维护，控制也比较灵活，易于实现比较复杂的控制算法等优点。因此，对逆变器以及选择其更好的控制方式的研究成为了电力电子技术发展的热点。

1.1.2 研究意义

由于各种用户对高可靠电源的需求，从而产生了逆变器，并且随着用户对电源品质的要求在不断提高，推动了逆变技术的发展。因此，提高逆变器的控制技术就显得更为重要，只有提高了逆变器的控制技术，才能提高输出的波形质量、逆变效率以及它的可靠性。目前，PWM逆变器的应用最为广泛，PWM逆变器常用的调制方法有SPWM技术和SVPWM技术。早期的时候，逆变器大多采用开环控制，控制比较简单，但是逆变器的稳态性能和动态性能都受到限制，因此它只适用于对电能质量要求不高的场合，在对电能质量要求较高的地方，必须采用闭环控制。

1.2 逆变控制的发展

1.2.1 逆变技术发展过程

逆变是与整流相对应的把直流电变成交流电的一个过程。其应用非常广泛，比如蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源需要向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，还有些电力电子装置电路的核心部分都是逆变电路，比如交流电机调速用逆变器、不间断电源等。逆变器的原理早在1931年的相关文献中就提到过，逆变技术的发展：由于早期技术不完善，当时的逆变器大多采用方波调制技术，不仅体积和重量大，效率也比较低，通过多重叠加法来改善输出的电压波形，这已经无法满足广大用户对于供电质量要求越来越高的需求，这时，出现了正弦波逆变技术。紧接着，不同的PWM技术相继出现，逆变器的稳态性能和动态性能也不断提高，正弦波逆变技术越来越完善。

1.2.2 逆变技术现状

高效环保的逆变技术开始出现，逆变器的综合性能越来越好。现代逆变技术不仅研究直流电变换成交流电的方式，还需研究如何提高逆变器的整体性能，如：提高输出波形的质量，提高系统的直流电压利用率，减小电磁干扰，降低开关损耗，提高系统的整体效率等。现代逆变技术的研究内容主要有以下几个方向：输出电压或电流波形正弦化技术，如SPWM技术、多电平技术等；降低开关损耗和减小电磁干扰的技术，如软开关技术等；减小逆变器体积和重量的技术，如内高频环技术等；提高直流电压利用率的技术，如3次谐波注入PWM技术、SVPWM技术等；逆变器并联技术；智能化、绿色化逆变技术。

1.2.3 逆变器的仿真

伴随着控制理论的迅速发展，控制的效果要求越来越高，算法越来越复杂，控制器的设计也越来越困难。特别是对于一些含有非线性环节的控制系统如需要达到控制要求，按照传统的设计方法设计起来既费时又费力。由于计算机技术与计算机的发展，出现了控制系统的计算机辅助设计。MATLAB包含了可靠的数值运算、图像与图形显示及处理、高水平的图形界面设计风格，除此之外还提供了与其它高级程序设计语言的接口，成为了控制系统人员不可或缺的有力工具。

MATLAB环境下的Simulink仿真是交互式的，可以随意改变模型的参数并且马上就可以看到参数改变后的结果，非常的直观清晰。通过应用MATLAB语言环境下了Simulink建模和仿真，可以超越理想的线性模型，从而去探求更为现实的非线性模型。

1.3 PWM逆变器控制技术

目前常用的逆变器闭环控制策略有以下几种：

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