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逆變器雙環控制策略及其數字離散化
逆變器是把直流電能(電池、蓄電瓶)轉變成交流電(一般為220V,50Hz正弦波)。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。
摘要：逆變器作為新能源系統中主要的能量轉換裝置，其性能直接影響到整機效率的高低。本文采用電流內環、電壓外環的雙閉環控制方式，電流環設計為帶通(BP)調節器解決母線電壓波動對并網電流產生的畸變，電壓環設計為近似典型II型系統提高系統響應速度。最后，進行了數字離散化處理。
關鍵詞：逆變器;數字化實現;雙閉環控
引言
風能、太陽能等新能源發電系統具有環境污染小、調節靈活等優點受到了越來越多的關注。逆變器作為新能源發電系統中電能并網的重要接口，其工作性能的優劣直接影響到并網電流的質量，逆變器的控制環節決定了并網電流最終的波形、總諧波失真、功率因數、跟蹤誤差、動態響應速度等性能，因此對并網電流控制技術也顯得十分重要。逆變并網系統的控制目標為穩定直流母線電壓和單位功率因數并網，其逆變側采用雙閉環控制策略的系統結構框圖如圖1所示，電流內環用于控制并網電流，電網電壓同步信號用于鎖相，從而實現單位功率因數并網，電壓外環穩定逆變器的母線電壓，為逆變器提供穩定并網條件。
一、逆變器雙閉環調節器設計
逆變器電流內環為BP調節器，其在基波頻率處增益較大，基波頻率以外增益逐漸衰減，即使電流指令中引入諧波，但BP調節器對應的閉環系統只響應電流中的基波頻率分量，通過閉環反饋輸出電流中諧波含量大大降低，BP調節器表達式設計為：
(1)
電流內環作為并網側的單位閉環反饋環節，追求反饋電流與指令電流的精準跟蹤。根據系統閉環設計可知，作為單位閉環反饋系統其可以等效為增益近似為1的一階慣性環節，慣性時間常數τ可認為為系統閉環傳遞函數的-3dB頻帶的倒數。
(2)
將電壓環設計為近似典型II型系統，電壓調節器Gv(s)的傳遞函數設計為
(3)
式中τv1是電壓調節器的一階微分時間常數，τv2是電壓調節器一階慣性時間常數，kpv為電壓調節器比例系數。
為了滿足系統性能指標，電壓環截止頻率ωcv設計為100rad/s。根據系統典型II型電子最佳設計有，為了電壓環響應速度快，第一轉折頻率離截止頻率較遠，第二轉折頻率離截止頻率較近。則電壓調節器為：
(4)
二、雙閉環的數字離散化
采用雙線性變換法分別對電流調節器進行離散化，雙線性變化法代換算式為：
(5)
式(5)中T為采樣時間。根據電流環系統頻帶與實際工程應用經驗，離散化采樣時間T取200μs，代入式(5)之后得離散化的BP調節器為：
(6)
式中E(z)為BP調節器輸入誤差，U(z)為BP調節器輸出。式(6)中離散化結果保留了三位小數位，寫成微處理器可實現的遞推方程形式如下式：
ui(k)=1.994ui (k-1)-0.998ui (k-2)+1.917ei (k)
-3.832ei (k-1)+1.915ei (k-2) (7)
電壓調節器也采用雙線性變換法離散化，并將離散化時間T=50μs帶入(4)式，得出的電壓調節器的遞推表達式為
uv(k)=1.985uv(k-1)-0.985uv(k-2)+4.641ev(k)
-9.259ev(k-1)+4.619ev(k-2) (8)
三、結論
本文采用電流內環、電壓外環的雙閉環控制方式，具有控制結構清晰，系統設計容易的優點，采用帶通(BP)調節器可以解決母線電壓波動對并網電流產生的畸變，實現單位功率因數并網，電壓外環可以對有效的穩定母線電壓，并給出了在控制器中易于實現的數字離散化處理過程。
參考文獻：
[1]熊健，周亮，張凱等.一種高性能的單相逆變器多環控制方案[J]. 電工技術學報，2006，21(12)：78-82.
[2]楊會敏，宋建成.基于雙環控制的單相電壓型PWM逆變器建模與仿真[J].電氣傳動自動化，2009，31(01)：15-18.
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