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逆变器双环控制策略及其数字离散化
逆变器是把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成交流电(一般为220V,50Hz正弦波)。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。
摘要：逆变器作为新能源系统中主要的能量转换装置，其性能直接影响到整机效率的高低。本文采用电流内环、电压外环的双闭环控制方式，电流环设计为带通(BP)调节器解决母线电压波动对并网电流产生的畸变，电压环设计为近似典型II型系统提高系统响应速度。最后，进行了数字离散化处理。
关键词：逆变器;数字化实现;双闭环控
引言
风能、太阳能等新能源发电系统具有环境污染小、调节灵活等优点受到了越来越多的关注。逆变器作为新能源发电系统中电能并网的重要接口，其工作性能的优劣直接影响到并网电流的质量，逆变器的控制环节决定了并网电流最终的波形、总谐波失真、功率因数、跟踪误差、动态响应速度等性能，因此对并网电流控制技术也显得十分重要。逆变并网系统的控制目标为稳定直流母线电压和单位功率因数并网，其逆变侧采用双闭环控制策略的系统结构框图如图1所示，电流内环用于控制并网电流，电网电压同步信号用于锁相，从而实现单位功率因数并网，电压外环稳定逆变器的母线电压，为逆变器提供稳定并网条件。
一、逆变器双闭环调节器设计
逆变器电流内环为BP调节器，其在基波频率处增益较大，基波频率以外增益逐渐衰减，即使电流指令中引入谐波，但BP调节器对应的闭环系统只响应电流中的基波频率分量，通过闭环反馈输出电流中谐波含量大大降低，BP调节器表达式设计为：
(1)
电流内环作为并网侧的单位闭环反馈环节，追求反馈电流与指令电流的精准跟踪。根据系统闭环设计可知，作为单位闭环反馈系统其可以等效为增益近似为1的一阶惯性环节，惯性时间常数τ可认为为系统闭环传递函数的-3dB频带的倒数。
(2)
将电压环设计为近似典型II型系统，电压调节器Gv(s)的传递函数设计为
(3)
式中τv1是电压调节器的一阶微分时间常数，τv2是电压调节器一阶惯性时间常数，kpv为电压调节器比例系数。
为了满足系统性能指标，电压环截止频率ωcv设计为100rad/s。根据系统典型II型电子最佳设计有，为了电压环响应速度快，第一转折频率离截止频率较远，第二转折频率离截止频率较近。则电压调节器为：
(4)
二、双闭环的数字离散化
采用双线性变换法分别对电流调节器进行离散化，双线性变化法代换算式为：
(5)
式(5)中T为采样时间。根据电流环系统频带与实际工程应用经验，离散化采样时间T取200μs，代入式(5)之后得离散化的BP调节器为：
(6)
式中E(z)为BP调节器输入误差，U(z)为BP调节器输出。式(6)中离散化结果保留了三位小数位，写成微处理器可实现的递推方程形式如下式：
ui(k)=1.994ui (k-1)-0.998ui (k-2)+1.917ei (k)
-3.832ei (k-1)+1.915ei (k-2) (7)
电压调节器也采用双线性变换法离散化，并将离散化时间T=50μs带入(4)式，得出的电压调节器的递推表达式为
uv(k)=1.985uv(k-1)-0.985uv(k-2)+4.641ev(k)
-9.259ev(k-1)+4.619ev(k-2) (8)
三、结论
本文采用电流内环、电压外环的双闭环控制方式，具有控制结构清晰，系统设计容易的优点，采用带通(BP)调节器可以解决母线电压波动对并网电流产生的畸变，实现单位功率因数并网，电压外环可以对有效的稳定母线电压，并给出了在控制器中易于实现的数字离散化处理过程。
参考文献：
[1]熊健，周亮，张凯等.一种高性能的单相逆变器多环控制方案[J]. 电工技术学报，2006，21(12)：78-82.
[2]杨会敏，宋建成.基于双环控制的单相电压型PWM逆变器建模与仿真[J].电气传动自动化，2009，31(01)：15-18.
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