采用電感電流內(nèi)環(huán)的單相逆變器設(shè)計(jì)

摘要：分析了單相逆變器系統(tǒng)的數(shù)字控制特點(diǎn)，提出了一種帶輸出電流前饋的PI雙環(huán)(輸出電壓外環(huán)和濾波電感內(nèi)環(huán))數(shù)字化控制方案，利用極點(diǎn)配置方法對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，最后給出了各種實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)波形。
關(guān)鍵詞：單相逆變器；雙環(huán)控制；極點(diǎn)配置；數(shù)字控制

0 引言
要得到性能穩(wěn)定的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)，其單臺(tái)逆變器的性能非常重要，因此，單臺(tái)逆變器的控制方法選擇就顯得尤為重要。常見的單閉環(huán)控制技術(shù)主要有電壓瞬時(shí)值反饋、無(wú)差拍控制和重復(fù)控制等方案。為了滿足某些應(yīng)用場(chǎng)合的高性能指標(biāo)要求，近來又出現(xiàn)了電壓電流雙閉環(huán)控制。該方案的電流內(nèi)環(huán)增大了逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，從而使逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，同時(shí)加強(qiáng)了對(duì)非線性負(fù)載擾動(dòng)的適應(yīng)能力，也減小了輸出電壓的諧波含量。
依據(jù)內(nèi)環(huán)電流反饋的不同，逆變器雙閉環(huán)控制可分為電感電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)和電容電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)兩種。在以濾波電容電流作為內(nèi)環(huán)反饋的控制方法中，如果在電容電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制系統(tǒng)中增加電流限幅環(huán)節(jié)，其只能限制電容電流大小，而負(fù)載電流和電感電流完全不受其約束，因而不能通過限流實(shí)施對(duì)逆變電源的保護(hù)。在以濾波電感電流作為內(nèi)環(huán)反饋時(shí)，通過限制濾波電感電流即可實(shí)現(xiàn)逆變器的過流保護(hù)。因此，通過對(duì)以上兩種控制方法進(jìn)行比較，本文采用以濾波電感電流作為內(nèi)環(huán)反饋的控制方案。

1 逆變器系統(tǒng)模型
圖1所示為單相全橋逆變電源的主電路原理圖。圖中，Ud是逆變橋直流輸入電壓。L是輸出濾波電感，C是輸出濾波電容，r是輸出電感、死區(qū)效應(yīng)以及濾波電容的等效電阻。

對(duì)于圖1所示的單相全橋逆變器，可得到下面的單相逆變電源的連續(xù)域數(shù)學(xué)模型式：


2 逆變器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
本文的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)由外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器和內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器組成。其中外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器Gv(s)一般采用比例一積分(PI)調(diào)節(jié)器，內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器Gi(s)可以采用比例(P)調(diào)節(jié)器。圖2所示是逆變器電感電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

在這個(gè)雙環(huán)控制方案中，電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱雙環(huán)PI-P控制方式。其中電流調(diào)節(jié)器Gi(s)的比例環(huán)節(jié)用來增加逆變器的阻尼系數(shù)，以使整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并且保證有很強(qiáng)的魯棒性；電壓外環(huán)也采用PI調(diào)節(jié)器的作用是希望使輸出電壓波形能瞬時(shí)跟蹤給定值。這種電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)的雙環(huán)控制方式的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度很快，而且靜態(tài)誤差也很小。
設(shè)電壓電流調(diào)節(jié)器分別為：