学位论文-—dcac逆变器设计.doc

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校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 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。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 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不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日第1章 绪论1.1引言DC/AC逆变器是将直流电能变换成交流电能的变流装置，给交流负载供电或与交流电网并网发电。逆变器可利用直流电（蓄电池、开关电源、燃料电池等）转换成交流电为电器提供稳定可靠的用电保障，如笔记本电脑、手机、手持PC、数码相机以及各类仪器等；逆变器在风能、太阳能领域还可与发电机配套使用，能有效地节约燃料、减少噪音，将风能、太阳能等可再生的绿色能源应用到生产和生活中，可以有效地解决能源危机和环境污染问题。逆变电源的负载可能具有不同的性质，如阻性负载、感性负载和整流型负载等，当某一负载投入运行时，特别是非线性负载，很可能引起逆变器的输出电压波形周期性畸变，谐波增加。谐波对供电系统的污染日益严重，他对各种电气设备都有不同程度的影响和危害1，其危害主要体现在以下几个方面：(1)谐波使公用电网的元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电以及用电设备的效率，大量的三次谐波电流流过中线时会使线路过热甚至发生火灾；(2)谐波会引起电机和变压器发热，振动加剧，运行效率降低；(3)谐波对电容器的影响和危害很大，其损害机理包括电效应、热效应和机械效应。在谐波作用下，内部介质更容易发生局部放电，电容内部发热和温升增加，电容的接线与外壳之间、内部极板之间可能产生机械共振引起介质的机械损耗；(4)谐波会导致某些继电器保护装置误动作，致使系统无法正常运行，还会使电气测量仪器失准，影响计量精度；(5)谐波干扰中的高次成分会对通讯、控制系统造成干扰，轻者产生噪音，重者导致信息丢失，造成系统无法正常工作。由此可见，逆变电源向各种负载提供高质量的电能具有重要的意义，这样，也就逐渐显示出了逆变电源输出波形控制技术的重要性。总的来讲，逆变电源的输出波形质量包括以下两个方面的内容：(1)具有良好的稳态精度：在稳态下，输出波形畸变小即谐波含量低。(2)具有良好的动态特性：在负载扰动的情况下，输出波形的变化幅度小，调节过程迅速。因此，如何提高逆变电源输出波形的质量，研究逆变电源的各种先进控制技术，已经成为近年来国内外学者研究的热点。1.2逆变电源控制技术1.2.1控制技术的重要性对于逆变电源，在性能上除了需满足可靠性、体积、重量、效率、电磁兼容性(EMC)等基本指标之外，在供电质量方面首要的要求就是高质量的输出电压波形。对于由理想开关构成、并且只带线性负载的SPWM（Sine Pulse Width Modulation-正弦波脉冲宽度调制）逆变器，只要实施某种SPWM技术，不难获得理想的正弦波电压。然而实际运行中，有很多因素导致逆变电源输出波形产生畸变2，主要包括：(1)PWM(Pulse Width Modulation脉宽调制)调制方式和死区效应；(2)输出滤波器参数变化；(3)负载性质变化(尤其是整流型非线性负载)造成的强扰动。在逆变器应用场合，造成波形畸变的主要原因为负载性质变化和死区效应。非线性负载是影响逆变器输出电压波形质量的主要因素。非线性负载大多含有非线性元件，其伏安特性呈现非线性。对于这种负载，即使供电电压为标准的正弦波，负载电流也是严重畸变的，其中包含丰富的低次谐波。由于逆变器的输出阻抗不为零，所以这些低次谐波电流必然在逆变器输出端产生谐波压降，导致输出电压波形畸变。如今逆变电源的负载大多是非线性的3，其中常见的是二极管整流型负载，如图1-1所示。图1-1 带非线性负载的全桥逆变器Fig.1-1 Full-bridge inverter with nonlinear load分析图1-1所示的单相桥式逆变器带整流桥非线性负载的电路，整流桥开通时，电路含有两个电容和两个电感，根据电工理论基本知识，此时输入输出的传递函数为一个典型的四阶环节，可以由下式表示： (1-1)式中各系数与电路中各参数、和有关。表示一个四阶稳定的线性系统，设输入电压为纯正弦信号，即，则输出电压。显然，输出为正弦波，且相对输入信号有相移，其幅值变为。实际逆变电路中，输入电压虽是由控制方式决定SPWM波，其中含有谐波分量，但谐波分量大都可被LC滤波器滤掉，所以输出电压仍具有较好的正弦度。整流桥关断时，电路中只含有滤波电路中的电感和电容，根据电工理论基础知识，此时输入输出的传递函数为典型的二阶环节，由下式表示： （1-2）同理，其输出电压为，稳态输出为一正弦波。可见整流桥通、断时，输出是两个不同幅值、不同相移的正弦波，对输入信号具有不同的响应。通过傅立叶分析可知，中含有丰富的谐波分量，导致波形畸变。由此可以得知，波形畸变的原因是整流器的不同工作状态对应着不同拓扑的时间响应。人们曾经试图通过降低逆变器的输出阻抗来解决这一问题。一种做法是在逆变器输出端增设LC谐振支路，通过合理设置其谐振频率，可以做到对某一低次谐波的输出阻抗近似为零，从而将该谐波电流吸收掉。除此之外，通过提高开关频率来减小滤波电感也是一个办法。不过，这些基于滤波器的解决方案也有明显的缺点：前一方法对每一次谐波电流都要增设一个LC支路，这对于容量并非特别巨大的通用电源产品来讲，其体积、重量、成本都难以接受。后一方法则与此正好相反：对于小功率产品开关频率的确可以做得很高，但在大、中功率场合，受温升、效率等因素限制，开关器件工作频率不可能很高，此时减小滤波电感的做法就遇到了无法逾越的障碍。与以上方法相比，从控制的角度出发，通过引入输出电压的瞬时值反馈控制技术来抗御非线性负载扰动、抑制谐波是更合理的解决方案。逆变器控制技术的引入使逆变器系统的闭环输出阻抗相对开环大为降低，是一种通过控制手段降低输出阻抗的办法，这要比增设无源滤波元件或单纯的依赖提高开关频率优越得多4,5。除了非线性负载之外，实际PWM过程中为防止逆变器桥臂上下端元件直通短路而设置的死区也对波形质量有一定的影响。在死区期间上下两个元件皆处于关断状态，此时的桥臂输出电压不再由控制器决定，而是由当时的桥臂输出电流(即电感电流)方向决定。图1-2以全桥电路为例给出示意说明。图1-2 死区效应示图Fig.1-2 Sketch map of dead-time如果在死区期间电感电流为正（），则此时电流是通过二极管D2、D3续流，实际的桥臂输出电压为负(见图1-2(a)，图中所绘的方向均为电压电流实际方向而非参考方向)。同样的，当电感电流为负（），此时电流是通过续流二极管D1、D4续流，实际的桥臂输出电压极性为正(见图1-2(b)。从平均效果看，由于死区的存在，在实际的桥臂输出电压中相对于理想PWM，即不设死区时，添加了一项增量，使得理想PWM输出电压中叠加了一组高频脉冲。其幅值、重复频率与PWM脉冲相同，宽度等于死区时间，包络线为方波。后者的极性与逆变桥输出电流相反，其频率则为基波频率。显然，这一波形中含有开关频率以下的低次谐波，直接增加了输出电压的波形畸变。死区时间在一个开关周期中所占份量越大，对波形质量影响就越大。为了克服死区影响，可以采取各种补偿措施。不过，这些死区补偿措施对非线性负载的影响是无效的，不能代替控制技术。相反，控制技术作为一种闭环控制手段，可以抗御的扰动类型是多种多样的，它不仅能克服非线性负载的影响，同样也可以克服死区效应的影响。因此，采取了逆变器的控制技术后死区问题可以一并解决，一般无须再设置死区补偿措施。1.2.2逆变电源的模拟控制和数字控制DC-AC变换部分的控制技术是逆变电源的关键部分，它在很大程度上决定了整个电源的性能。传统的逆变器模拟控制技术已经经历了一个较长的发展时期，是一比较古老而相对成熟的控制技术。他采用连续的模拟器件和数字器件直接搭建，工作过程易于理解，具有很大的频带宽度，控制精确，基本没有时延，设计也相对容易。目前随着制造工艺的不断提高，器件价格不断下降，生产成本越来越低。然后，模拟控制器也存在许多不可克服的缺点6,7,8：(1)由于不同厂家所使用的器件各自的特性差异，使电源的使用一致性不好。(2)设计周期长，调试复杂。(3)仅局限于传统的诸如PID和补偿技术等经典控制理论的简单算法，无法采用一些先进的控制算法。(4)器件数量多，体积大，控制电路复杂，系统的可靠性低。(5)模拟器件有器件老化、温度漂移等固有的缺陷，导致设计良好的控制器经过一段时间性能开始下降，甚至输出失败。(6)模拟控制器件是硬件设计方案，这就使得修改和升级换代非常困难。(7)模拟器的监控能力也差，一旦出现问题，一般仅限于声光报警，只有技术人员亲临现场才能排除，有极大的不便。由于模拟控制存在上述缺点，在很多场合也无法适应新的要求，因此势必需要用数字控制方法来取代9。逆变器的数字控制就是先将模拟量进行数字化，然后在微处理器中进行数字信号处理，得到所需要的控制量后再还原成模拟信号的一种控制方法。与传统的模拟控制相比较，数字控制具有如下好处：(1)便于标准化，每台电源间的一致性好。(2)减少控制元件数量，提高系统抗干扰能力。由于采用数字控制技术，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。(3)由于微处理器的运算速度快，因此可以实现更先进的无差拍等控制方法和智能控制策略。(4)避免模拟信号传递过程的畸变、失真，减少杂散信号的干扰，输出质量好，稳定性和可靠性高。(5)设计和调试灵活。一旦控制方法改变，只需要修改软件程序即可，无需变动硬件电路，大大缩减了设计周期。(6)实时数字控制中采用软件算法来实现反馈控制，能很好地解决控制系统由于元器件的老化和温升带来的缺陷。可见，数字化是逆变电源发展的主要方向，然而，也存在着挑战。正是有着众多的优点，而问题又存在，才使得逆变电源的数字化控制在国内外引起了广泛的关注。1.2.3逆变电源的数字控制算法简介目前逆变电源的数字控制策略一般采用反馈控制，国内外研究得比较多的主要有：数字PID控制、状态反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、无差拍控制、以及智能控制。下面将对上述控制策略做简要的叙述(1)数字PID控制PID控制是一种具有几十年应用经验的控制算法10，控制算法简单，参数易于整定，设计过程中不过分依赖系统参数，鲁棒性好，可靠性高，是目前应用最广泛、最成熟的一种控制技术。它在模拟控制正弦波逆变电源系统中已经得到了广泛的应用。将其数字化以后，它克服了模拟PID控制器的许多不足和缺点，可以方便调整PID参数，具有很大的灵活性和适应性。与其它控制方法相比，数字PID具有以下优点：PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，控制过程快速、准确、平稳，具有良好的控制效果。PID控制在设计过程中不过分依赖系统参数，系统参数的变化对控制效果影响很小，控制的适应性好，具有较强的鲁棒性。PID算法简单明了，便于单片机或DSP实现。采用数字PID控制算法的局限性有两个方面。一方面是系统的采样量化误差降低了算法的控制精度；另一方面，采样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后的系统，造成PID控制器稳定域减少，增加了设计难度。(2)状态反馈控制状态反馈控制可以任意配置闭环控制系统的极点，实现了逆变电源控制系统极点的优化配置，有利于改善系统输出的动态品质，具有良好的瞬态响应和较低的谐波畸变率。但在建立逆变器的状态模型时将负载的动态特性考虑在内，因此状态反馈控制只能针对空载和已知的负载进行建模。由于状态反馈控制对系统模型参数的依赖性很强，使得系统的参数在发生变化时易导致稳态误差的出现和以及动态特性的改变。例如对于非线性的整流负载，其控制效果就不是很理想11,12,13。(3)重复控制重复控制是近几年发展起来的一种新型逆变电源控制方案，它可以克服整流型非线性负载引起的输出波形周期性的畸变14,15。重复控制的思想是假定前一周期出现的基波波形畸变将在下一个周期的同一时间重复出现，控制器根据给定信号和反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上，以消除后面各个周期将出现的重复性畸变。该控制方法具有良好的稳态输出特性和非常好的鲁棒性，但该方法在控制上具有一个周期的延迟，因而系统的动态响应较差。自适应重复控制方案，已经成功地应用于逆变器的控制中。(4)滑模变结构控制滑模变结构控制利用不连续的开关控制方法来强迫系统的状态变量沿着相平面中某一滑动模态轨迹运动。该控制方法最大的优点是对参数变化和外部干扰的不敏感性，即强鲁棒性，加上其开关特性，特别适用于电力电子系统的闭环控制16,17,18。但滑模变结构控制存在系统稳态效果不佳、理想滑模切换面难于选取、控制效果受采样率的影响等弱点。如今，逆变电源的滑模变结构控制的研究方兴未艾，特别滑模变控制和其它智能控制策略相结合所构成的符合控制策略的研究倍受关注。(5)无差拍控制无差拍控制是一种基于微机实现的PWM方案，它根据逆变电源系统的状态方程和输出反馈信号来计算逆变器的下一个采样周期的脉冲宽度，80年代末引如到正弦波逆变电源控制系统中。对于线性系统来说，该控制方法具有很好的稳态特性和快速的动态响应19,20,21。其缺点也十分明显：它对系统参数的变化反应灵敏，即鲁棒性较差。一旦系统参数出现较大波动或系统模型建立不准确时，系统将出现很强的震荡。为此，在无差拍控制之中引入智能控制是当今的研究热点之一。(6)智能控制智能控制技术主要包括模糊控制、神经网络和专家系统等22，对于高性能的逆变电源系统，模糊控制器有着以下优点：(1)具有较强的鲁棒性和自适应性，模糊控制器的设计不需要被控对象的精确数学模型。(2)查找模糊控制表占用处理器的时间很少，因而可以采用较高采样率来补偿模糊规则的偏差。理论上，模糊控制能够以任意精度逼近任何非线性函数，但模糊控制的分档和模糊规则树都受到一定的限制，隶属函数的确定带有一定的人为因素，因此模糊控制的精度有待与进一步提高。目前，模糊控制、神经网络和专家控制出现了相互融合的趋势23,24，展示了三者相辅相成、优势互补的强大生命力。采用神经网络确定隶属函数，优化模糊规则和进行模糊推理等研究已经取得一定的成果，各种模糊神经网络的拓扑结构和算法也不断涌现。模糊控制和专家系统结合，可充分利用专家系统的知识推理机制和知识获取能力。模糊控制必将成为逆变电源智能化的核心控制技术。目前在神经网络选取、学习方法的优化等方面已有了一些研究成果，但由于神经网络的实现技术还没有突破，因此未能成功地应用于逆变电源的控制之中。由此可见，每一种控制方案都有其优势，但也在某些方面存在不足。因此将各种控制方案取长补短，组合成复合的控制方案将是设计逆变电源控制系统的一种必然趋势。本文提出了一种将重复控制和模糊自整定PI 控制相结合的新型单相 SPWM 逆变电源控制方案。1.3逆变电源数字控制算法应用研究现状1.3.1国内外应用研究现状从国内外研究状况来看，目前，国外知名企业，如山特公司、台达公司、东芝公司、梅兰日兰公司等，在逆变器的数字控制方面的研究比较多，许多先进的技术已应用到了实际的系统中，生产出了许多知名品牌。他们能够生产从几百伏安到几千伏安的逆变器，其电源性能和可靠性都已经达到了很高的水平。相对来说，国内的逆变器数字控制方面的发展就晚的多，目前大多数生产厂家主要是还是以模拟加数字的控制方式为主，全数字控制方面的研究还较少，主要集中在一些知名公司和重点院校，如华中科技大学、南京航空航天大学；且大多数研究还处于实验阶段，仅有少部分用于逆变电源系统中。从目前国内市场来看，由于国内逆变器的生产厂家基本上不能生产大功率逆变电源，所以国内大功率逆变电源的市场几乎全部被国外各大公司占有。对于中小功率逆变电源来说，虽然国内许多厂家可以生产，并占有一定的市场，但是其产品性能和可靠性远不如国外同类产品，输出电压受负载变化影响很大，故加强逆变电源先进控制技术的应用研究具有十分重要的理论意义和实用价值。1.3.2目前应用研究中存在的问题通过上节对各种数字控制策略的特点进行分析可以看出，每一种控制策略都有其特长，但也都在某些方面存在一些问题。如某些控制方法的稳态精度很高，但动态响应效果却很差；某些控制方法虽然具有较好的动态响应速度，但稳态输出电压畸变率又达不到上程的要求；某些控制方法虽然同时具有较高的动态和稳态精度，但它的控制参数适应能力又很差，鲁棒性不好；某些控制方法受硬件水平的限制，目前还不能得到很好的应用。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，互济优势，结合成复合的控制方案。所以，复合控制是逆变器控制策略的一个发展方向。同时由于上述控制策略均由数字方式来加以实现，这其中还有些需要解决难题：(1)逆变电源输出要跟踪的是一个按正弦规律变化的给定信号，它不同于一般开关电源的常量控制。在闭环控制下，给定信号与反馈信号的时间差就体现为明显的相位差，这种相位差与负载是相关的，这就给控制器的设计带来了一定的困难。(2)逆变电源输出滤波器对系统的模型影响很大，输入电压幅值的波动和负载的性质等，这些都增加了控制对象的复杂性，使得控制对象模型的高阶性、不确定性和非线性显著增加。 (3)对数字式PWM，都存在一个开关周期的失控区间，一般是在每个开关周期的开始或上个周期末，来确定本次脉冲的宽度，即使这时系统发生了变化，也只能在下一个开关周期对脉冲宽度做出调整。总之，随着控制理论的发展，逆变电源控制技术朝着全数字化、智能化及网络化的方向发展，逆变电源的数字控制技术发生了一次大的飞跃。逆变电源数字化控制的优点在于各种控制策略的硬件电路基本是一致的，要实现各种控制策略，无需变动硬件电路，只需修改软件即可，大大缩短了开发周期，而且可以应用一些新型的复杂控制策略，各电源之间的一致性比较好，这样为逆变电源的进一步发展提供了基础，而且比较容易组成可靠性高的大规模逆变电源并联运行系统。1.4论文的主要工作及研究内容论文主要针对逆变电源向各种负载提供高质量电能的需要，抑制谐波对各种用电设备的危害，查阅大量的相关文献，研究学习目前应用在逆变电源中的多种控制技术，并进行了改进，提出了将重复控制和模糊自整定PI 控制相结合的新型单相 SPWM 逆变电源控制方案。具体研究内容如下：1阐述逆变电源控制技术研究的背景及意义。2对单相SPWM逆变器进行模型分型。3设计用于控制SPWM逆变器的重复控制器。4应用模糊自整定PID 控制方法对重复控制进行改进，设计了一种新型的复合控制器。5 在 MATLAB/SIMULINK仿真环境下，对设计的复合控制器进行仿真验证。第2章 单相SPWM逆变器模型分析2.1引言控制对象的数学模型是开展严密的理论分析和实验研究工作的出发点和基础。本章首先讲述了SPWM逆变器的工作原理和电路结构，然后针对单相全桥SPWM逆变器，建立了它的数学模型。2.2SPWM逆变器概述1964年，德国学者H.Stemmler根据通讯理论中的调制技术提出了脉宽调制变频的思想。1975年，Bristol大学的S.R.Bower等人对该技术进行了成功地应用。实现这种方案的主功率电路简单、控制容易，可以很方便地实现各种复杂的控制规律。经过近40年的发展，PWM技术已得到了非常广泛的应用，成为电力电子领域中最重要的技术之一。2.2.1工作原理逆变器是用来实现DC-AC变换的电力电子装置。跟所有其它类型的电力电子装置一样，逆变器利用一组电力电子开关来实现电能形式的转换。图2-1是其工作原理的一个抽象描述。由图2-1可见，当开关S1、S4导通，开关S2、S3关断时，输出端可以获得正极性的瞬时电压；而当开关S2、S3导通，开关S1、S4关断时，输出端可以获得负极性的瞬时电压。以一定的频率切换两组开关导通的状态，即可实现由直流电压到交流电压的变换。无论是任何具体形式的逆变器，或是其它类型的电力电子变换器，其实现电能变换的基本手段都是通过这种对电子开关的快速通断控制来改变电压(或电流)的极性(瞬时的或平均的)和幅值(平均的)。简单的按照图2-1的方法控制，只能获得方波型交流电压输出，其谐波含量很大，幅值也无法调节。如果要获得理想的输出电压，只需对开关过程进行控制，PWM技术可以解决这个问题。图2-1 用电子开关实现DC-AC变换Fig.2-1 Transform DC to AC with electronic switch根据采样控制理论可知25，冲量(幅值对时间的积分)相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上，其作用效果基本相同。PWM技术的理论依据就是“冲量等效”特性。简言之，当形状不同但冲量相等的窄脉冲电压激励信号施加于具有惯性的对象如低通滤波器时，输出端得到的电压响应基本相同，其差别仅表现在高频成分上。SPWM是在PWM的基础上，将期望输出的正弦电压波形假想成有一组等宽不等幅的片断组合而成，然后用一组冲量对应相等的等幅不等宽(即脉冲宽度调制)脉冲将它们依次代替，从而在滤波器输出端得到期望的正弦电压波形。这样的脉冲可以由电子开关的通断控制实现。理论推导和实际的频谱分析表明：SPWM脉冲电压具有与理想正弦电压相一致的基波分量，而且最低次谐波的频率可以提高到SPWM调制频率(即开关频率，对应于每基波周期的脉冲个数)附近。因此，当开关频率足够高时，利用较小的滤波器就能将其中的谐波滤除掉。此外，只需改变SPWM脉冲宽度，就可以平滑地调节输出电压的基波幅值。采用了SPWM技术的逆变器即为SPWM逆变器，它在波形质量和控制性能上相对方波型逆变器有了巨大的进步。2.2.2电路结构图2-1中的电子开关，通常以一个全控型器件(这里以MOSFET器件为例)和一个反并联二极管构成，两个这样的开关上下串联，就组成一个桥臂。对电子开关实施互补通断控制，可以唯一确定桥臂的输出端电位。分别采用一个、两个、三个桥臂，再加上LC滤波器，就可以构成单相半桥、单相全桥和三相全桥PWM逆变器，如图2-2所示。这些是实际应用中最常见的逆变电路。本论文主要采用的是单相全桥逆变器电路结构。图2-2 电路结构Fig.2-2 Circuit structure2.3单相SPWM逆变器数学模型逆变器建模时，如何处理负载的动态特性是一个关键性的问题。如果假设逆变器接阻性负载，模型比较简单，但不能反映实际情况。如果对负载电流做更为复杂的假设，如一阶导数不变等，效果会好一些，但又会使模型形式变得复杂。本文采取的方法是将负载处理为外部扰动输入量，这样可以建立一个形式简单而且又是严格成立的线性模型。在进行仿真研究时，采用这种模型形式是比较方便的。2.3.1 电路模型一台单相、两电平、硬开关、带LC滤波器的SPWM逆变器，无论采用全桥结构还是半桥结构、单极性调制还是双极性调制，都可以用图2-3所示的统一的状态模型电路模型来表示。图2-3 单相逆变器的统一电路模型Fig.2-3 Uniform Circuit model of single-phase inverter以上电路模型的主要特点是：不对逆变器负载做任何假定，并把负载电流和逆变桥的输出电压一样处理为逆变器的一个外来激励。这样，可以使逆变器的数学模型形式简单并且不依赖于具体的负载类型。2.3.2连续时间状态空间模型状态空间模型的具体形式与所选状态变量有关26，根据控制方案的不同可以选择不同的状态变量。分析图2-3单相逆变器的统一电路模型时，选择电感电流和电容电压为状态变量。由于对电容C和电感L来说，有以下公式成立： (2-1) (2-2)所以根据KCL和KVL，可以列出状态方程如下： (2-3) (2-4)将逆变桥输出电压和负载电流作为系统的两个输入量，取电容电压为系统输出变量，则状态方程的矩阵形式为： (2-5) (2-6)式中；逆变器的等效框图如图2-4所示，从图中可以看出各变量之间的内在联系。这是一个双输入、单输出的二阶线性系统，输入变量为输出电压和负载电流，输出变量为电容电压。图2-4 单相电压型PWM逆变器的等效框图Fig.2-4 Transform DC to AC with electronic switch图中Z(s)为负载阻抗，因为负载的多种多样，即使负载上的电压为纯正弦，负载上的电流可以是任意波形。可以把看作是对控制系统的一个扰动输入信号，这样，即使当PWM逆变器带的是非线性负载时，它也仅表现在扰动的非线性上，这样的负载模型具有较强的代表性。2.3.3离散时间状态空间模型随着技术的进步，微处理器的性能不断提高，逆变器的全数字控制已经是大势所趋。如果认为采样时间足够小，则数字控制器的设计可以采用模拟化方法，即只需将基于连续系统所做的设计结果离散化。但这只是一种近似处理，而且也不能实现某些为数字控制所特有的控制方案(如无差拍控制)。为此，数字控制器的设计最好采取“数字化方法”，即：首先将采样保持器与控制对象所构成的广义控制对象离散化，然后对由这个离散对象与数字控制器所组成的完全离散系统进行设计，由于考虑了采样保持器的影响，数字化方法的设计结果比模拟化方法更可信。实际的采样过程一般采用零阶保持器（ZOH-zero order hold），即：以变量在采样时刻的瞬时值作为其在该采样周期内的采样值。采取这种“加零阶保持器离散化的方法”，可以由逆变器连续模型(2-5)、(2-6)导出以下离散时间状态方程：(2-7)(2-8)式中；，式中为采样周期。此时输入向量的两个分量、分别为逆变器输出电压、负载电流的第次采样值。逆变桥输出电压的采样比较特殊，因为电压本身并不是连续变化的量，而是一个离散的SPWM脉冲序列。逆变器开关频率一般取为采样频率的整数倍，所以在每个采样周期内都会有多次跳变。为此，可以借助冲量等效的概念，用电压在一个采样周期内的脉冲均值作为本次采样值。这样做也相当于采用状态空间平均法对一个采样周期内开关状态的不连续变化做低频等效(因为不同开关状态下SPWM逆变器的系统矩阵是相同的，所以只需对不连续的输入量做平均)，所获得的是逆变器的状态空间平均模型。这种平均化近似处理的前提条件是逆变器LC滤波器的截止频率相对于开关频率足够低，显然这一点在SPWM逆变器中是自动满足的，因为LC滤波器的作用就是滤除开关频率及其以上频率的谐波。对于大多数的控制方案，这种状态空间平均模型已经可以作为控制对象的一个足够好的描述。其缺点仅仅是不能反映开关暂态的细节。在连续时间模型里，对逆变器输出电压做类似的平均处理，一样可以