基于谐波补偿的逆变器波形控制技术研究

引言

逆变器是一种重要的DC/AC变换装置。衡量其性能的一个重要指标是输出电压波形质量，一个好的逆变器，它的输出电压波形应该尽量接近正弦，总谐波畸变率（THD）应该尽量小。在实际应用中逆变器经常需要接整流型负载，在这种情况下仅仅采用SPWM调制技术的逆变器，其输出电压波形就会产生很大的畸变。

为了得到THD小的输出电压，波形控制技术近年来得到了极大的发展。重复控制[1]是近年来研究得比较多的一种控制方案。本文从谐波补偿的角度出发，采用改进型FFT算法对输出电压误差信号进行实时频谱分析，把由软件算法产生的经过预畸变的谐波信号注入逆变器，由此达到抑制非线性扰动从而校正输出电压波形的目的。

1 控制系统结构及工作原理分析

图1为控制系统结构框图[2]。G1(s)表示控制对象，在这里就是输出LC滤波器的传递函数，其离散化形式由G1(z)表示。G2(z)表示内部模型，它与G1(z)相等。

1.1 扰动抑制原理

考虑扰动信号d(z)在输出点的响应。由图1可以很容易得到扰动信号的传函

Hd(z)=1-{[Gc(z)G1(z)]/1 [G1(z)-G2(z)]Gc(z)} (1)

由于G1(z)=G2(z)，故Hd(z)可简化为

Hd(z)=1－Gc(z)G1(z) (2)

显然，只要Gc(z)=G1－1(z)，则Hd(z)=0，即扰动可以得到完全的抑制。

不幸的是，实际逆变器的z域传递函数含有一个纯延时环节，这就意味着谐波补偿器Gc(z)必须含有一个超前环节，这在物理上是无法实现的。但在实际应用中我们只须抑制低次谐波就可以获得较好的输出电压波形，所以，只需要使谐波补偿器低频段频率特性是控制对象G1(s)低频段频率特性的逆就可以了。而这是很容易做到的，本文把这种低频段频率特性意义上的逆称为“等效逆”。

1.2 内部模型

内部模型G2(z)就等于G1(s)的离散化形式G1(z)，它的作用就是模拟控制对象的特性，作为参考信号源。在实际系统中，内部模型作为整个数字控制系统的一部分，由DSP软件算法实现。

1.3 谐波补偿器

谐波补偿器由FFT和谐波发生器组成。FFT算法对输出电压误差进行实时频谱分析，因为，逆变器接整流型负载，其输出电压畸变主要是由于在输出端叠加了次数较低的奇次谐波，所以，只须分析出1，3，5，7，9次谐波的幅值和初相位就可以满足要求。

设x(n)为N点有限长序列，其FFT为

式中：k=0，1，…，N－1；

显然，常规的FFT算法，其输出点数和输入点

数是相等的，但在本系统中只须求出X(1)，X(3)，

X(5)，X(7)，X(9)等5个输出点，其他输出点是不须计算的。根据基于FFT的蝶形计算流程图[3]可以知道，在只须计算指定的若干个输出点的情况下，可以大大减少计算量，节省大量的DSP时钟，这就使得在计算能力并不强大的F240定点DSP上，实现基于FFT算法的实时频谱分析成为了可能。本文把这种经过化简的算法称为改进型FFT算法。

谐波发生器的作用是把FFT分析出的谐波进行预畸变，然后把预畸变的谐波信号作为补偿指令送给控制对象。之所以要对谐波进行预畸变，是因为控制对象对谐波的跟踪是有差的，这就导致谐波信号通过被控对象到达扰动注入点时，并不与扰动信号形状相同，而是相位正好相差180°的信号，这样就无法很好地抵消扰动。谐波发生器的预畸变算法表达式如下：