逆變器雙環(huán)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(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，電流環(huán)設計為帶通(BP)調節器解決母線(xiàn)電壓波動(dòng)對并網(wǎng)電流產(chǎn)生的畸變，電壓環(huán)設計為近似典型II型系統提高系統響應速度。最后，進(jìn)行了數字離散化處理。

　　關(guān)鍵詞：逆變器;數字化實(shí)現;雙閉環(huán)控

　　引言

　　風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電系統具有環(huán)境污染小、調節靈活等優(yōu)點(diǎn)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。逆變器作為新能源發(fā)電系統中電能并網(wǎng)的重要接口，其工作性能的優(yōu)劣直接影響到并網(wǎng)電流的質(zhì)量，逆變器的控制環(huán)節決定了并網(wǎng)電流最終的波形、總諧波失真、功率因數、跟蹤誤差、動(dòng)態(tài)響應速度等性能，因此對并網(wǎng)電流控制技術(shù)也顯得十分重要。逆變并網(wǎng)系統的控制目標為穩定直流母線(xiàn)電壓和單位功率因數并網(wǎng)，其逆變側采用雙閉環(huán)控制策略的系統結構框圖如圖1所示，電流內環(huán)用于控制并網(wǎng)電流，電網(wǎng)電壓同步信號用于鎖相，從而實(shí)現單位功率因數并網(wǎng)，電壓外環(huán)穩定逆變器的母線(xiàn)電壓，為逆變器提供穩定并網(wǎng)條件。

　　一、逆變器雙閉環(huán)調節器設計

　　逆變器電流內環(huán)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(huán)系統只響應電流中的基波頻率分量，通過(guò)閉環(huán)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(huán)作為并網(wǎng)側的單位閉環(huán)反饋環(huán)節，追求反饋電流與指令電流的精準跟蹤。根據系統閉環(huán)設計可知，作為單位閉環(huán)反饋系統其可以等效為增益近似為1的一階慣性環(huán)節，慣性時(shí)間常數τ可認為為系統閉環(huán)傳遞函數的-3dB頻帶的倒數。

　　(2)

　　將電壓環(huán)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(shí)間常數，τv2是電壓調節器一階慣性時(shí)間常數，kpv為電壓調節器比例系數。

　　為了滿(mǎn)足系統性能指標，電壓環(huán)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(huán)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(huán)的數字離散化

　　采用雙線(xiàn)性變換法分別對電流調節器進(jìn)行離散化，雙線(xiàn)性變化法代換算式為：

　　(5)

　　式(5)中T為采樣時(shí)間。根據電流環(huán)系統頻帶與實(shí)際工程應用經(jīng)驗，離散化采樣時(shí)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(xiě)成微處理器可實(shí)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(xiàn)性變換法離散化，并將離散化時(shí)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(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，具有控制結構清晰，系統設計容易的優(yōu)點(diǎn)，采用帶通(BP)調節器可以解決母線(xiàn)電壓波動(dòng)對并網(wǎng)電流產(chǎn)生的畸變，實(shí)現單位功率因數并網(wǎng)，電壓外環(huán)可以對有效的穩定母線(xiàn)電壓，并給出了在控制器中易于實(shí)現的數字離散化處理過(guò)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(huán)控制方案[J]. 電工技術(shù)學(xué)報，2006，21(12)：78-82.

　　[2]楊會(huì )敏，宋建成.基于雙環(huán)控制的單相電壓型PWM逆變器建模與仿真[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2009，31(01)：15-18.

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