学术简报｜单相逆变电源的电压双闭环矢量控制方法，解决传统方案的不足
东北大学信息科学与工程学院、潞安集团司马煤业有限公司的研究人员宋崇辉、徐涛、王振环、刁乃哲、陈宏志，在2019年第16期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“单相逆变电源电压双闭环矢量控制方法”），针对单相逆变电源提出一种电压双闭环矢量控制方法。
该方法将单相电路拓展成三相电路，由逆变电源输出电压延拓出另两相电压，将其合成电压矢量，电压外环将电压矢量在同步旋转坐标系下进行闭环控制，实现输出电压在稳态下无偏差地跟踪目标值；电压内环通过设计虚拟电路改变系统电感值来实现近似解耦及提高系统的动态响应。
与传统双闭环相比，提出的电压双闭环矢量控制，只需对输出电压进行反馈控制而无需涉及电流，即可以实现真正近似解耦来提高系统性能，也可以降低硬件系统的复杂性。通过仿真与实验表明，所设计的控制系统具有良好的静态和动态特性，在负载频繁变换的情况下，可实现逆变电源的无偏差输出。
输出电压能够快速跟踪目标值是验证单相逆变电源的重要标准，这要求逆变电源具有良好的静态响应和快速的动态响应，当负载频繁变化时表现出较硬的输出外特性，鲁棒性好。针对单相逆变电源控制研究，主要有比例积分（PI）控制、比例谐振（PR）控制、重复控制、无差拍控制和矢量控制。
对于直流输入信号，PI控制可以做到无静差跟踪，且具有控制结构简单、动态响应较快以及鲁棒性好等特点，在电气工程领域得到广泛应用。但是，对于交流输入信号，由于系统带宽受限，传统的PI控制器无法做到无稳态误差跟踪。PR控制可以对某一特定频率正弦交流信号进行无稳态误差跟踪。但是由于PR需离散化处理，所以对微控制器的运算精度要求高，同时PR动态性能不如PI控制。
重复控制方案虽然可消除幅值和相位的稳态误差，但控制上有一个输出周期的延迟、动态响应欠佳，并且控制器的设计复杂。无差拍控制有着良好的动态性能，无超调现象，但是其控制特性受系统参数变化的影响较大，鲁棒性较差，不利于对输出电压的控制。
目前，矢量控制方案是高性能逆变电源的发展方向之一。矢量控制技术利用虚拟轴产生一个与原系统垂直的物理量，这样，可以合成矢量，进而采用传统PI调节器实现对交流信号的无静差跟踪控制。然而，这些矢量控制中，多采用电压电流双闭环方法，使得系统结构复杂，不仅需要检测电压，还需要检测电流，且检测电压、电流的准确度与系统参数对系统解耦至关重要，实际应用中，这些参数往往做不到准确已知，控制效果会很不理想。
针对以上控制方法的不足之处，本文针对单相逆变电源系统提出一种基于三相延拓等效电路与虚拟电路的矢量控制方法，由逆变电源输出电压延拓出另两相电压，将其合成电压矢量。
本文提出的电压双闭环矢量控制，只需对输出电压进行反馈控制无需涉及电流，这样不仅能达到好的控制效果，还能降低系统的硬件复杂性。电压外环对矢量在dq坐标系下进行闭环控制，实现输出电压在稳态时无偏差地跟踪目标值；电压内环通过设计虚拟电路改变系统电感值来实现近似解耦及提高系统的动态响应。通过在PLECS中搭建仿真模型，证明本文设计的控制系统能满足系统的输出要求。
图18 实验平台
本文以单相全桥逆变器作为研究对象，提出了单相逆变电源的电压双闭环矢量控制方法。给出三相延拓的方法，将单相逆变电路放到三相等效电路中分析，可将三相电路的矢量控制方法应用到单相电路中去。电压外环控制是将合成的电压矢量，在dq坐标系下进行闭环控制；电压内环控制是通过在系统前端串联控制器来实现近似解耦并提高了系统的动态响应。
本文采用的电压双闭环控制方法，与传统电压电流双闭环的方法相比，本文采用的控制方法只需要对输出电压进行反馈控制，并不需要对电路中的电流进行反馈控制，这样硬件系统只需要电压传感器及相应检测电路和简单的过电流保护电路即可，从而降低了硬件系统的复杂性。
此外，系统仿真和实验结果表明，本文采用的控制方法有效，通过对单相逆变电源的电压双闭环控制，提高了电源的输出准确度以及响应速度。