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逆變器雙環(huán)控制策略及其數(shù)字離散化
逆變器是把直流電能(電池、蓄電瓶)轉(zhuǎn)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(tǒng)中主要的能量轉(zhuǎn)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(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，電流環(huán)設(shè)計為帶通(BP)調(diào)節(jié)器解決母線電壓波動對并網(wǎng)電流產(chǎn)生的畸變，電壓環(huán)設(shè)計為近似典型II型系統(tǒng)提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。最后，進行了數(shù)字離散化處理。
關(guān)鍵詞：逆變器;數(shù)字化實現(xiàn);雙閉環(huán)控
引言
風能、太陽能等新能源發(fā)電系統(tǒng)具有環(huán)境污染小、調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點受到了越來越多的關(guān)注。逆變器作為新能源發(fā)電系統(tǒng)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(jié)決定了并網(wǎng)電流最終的波形、總諧波失真、功率因數(shù)、跟蹤誤差、動態(tài)響應(yīng)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(tǒng)的控制目標為穩(wěn)定直流母線電壓和單位功率因數(shù)并網(wǎng)，其逆變側(cè)采用雙閉環(huán)控制策略的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，電流內(nèi)環(huán)用于控制并網(wǎng)電流，電網(wǎng)電壓同步信號用于鎖相，從而實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，電壓外環(huán)穩(wěn)定逆變器的母線電壓，為逆變器提供穩(wěn)定并網(wǎng)條件。
一、逆變器雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計
逆變器電流內(nèi)環(huán)為BP調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器對應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)只響應(yīng)電流中的基波頻率分量，通過閉環(huán)反饋輸出電流中諧波含量大大降低，BP調(diào)節(jié)器表達式設(shè)計為：
(1)
電流內(nèi)環(huán)作為并網(wǎng)側(cè)的單位閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)，追求反饋電流與指令電流的精準跟蹤。根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)設(shè)計可知，作為單位閉環(huán)反饋系統(tǒng)其可以等效為增益近似為1的一階慣性環(huán)節(jié)，慣性時間常數(shù)τ可認為為系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的-3dB頻帶的倒數(shù)。
(2)
將電壓環(huán)設(shè)計為近似典型II型系統(tǒng)，電壓調(diào)節(jié)器Gv(s)的傳遞函數(shù)設(shè)計為
(3)
式中τv1是電壓調(diào)節(jié)器的一階微分時間常數(shù)，τv2是電壓調(diào)節(jié)器一階慣性時間常數(shù)，kpv為電壓調(diào)節(jié)器比例系數(shù)。
為了滿足系統(tǒng)性能指標，電壓環(huán)截止頻率ωcv設(shè)計為100rad/s。根據(jù)系統(tǒng)典型II型電子最佳設(shè)計有，為了電壓環(huán)響應(yīng)速度快，第一轉(zhuǎn)折頻率離截止頻率較遠，第二轉(zhuǎn)折頻率離截止頻率較近。則電壓調(diào)節(jié)器為：
(4)
二、雙閉環(huán)的數(shù)字離散化
采用雙線性變換法分別對電流調(diào)節(jié)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(jù)電流環(huán)系統(tǒng)頻帶與實際工程應(yīng)用經(jīng)驗，離散化采樣時間T取200μs，代入式(5)之后得離散化的BP調(diào)節(jié)器為：
(6)
式中E(z)為BP調(diào)節(jié)器輸入誤差，U(z)為BP調(diào)節(jié)器輸出。式(6)中離散化結(jié)果保留了三位小數(shù)位，寫成微處理器可實現(xiàn)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(jié)論
本文采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，具有控制結(jié)構(gòu)清晰，系統(tǒng)設(shè)計容易的優(yōu)點，采用帶通(BP)調(diào)節(jié)器可以解決母線電壓波動對并網(wǎng)電流產(chǎn)生的畸變，實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，電壓外環(huán)可以對有效的穩(wěn)定母線電壓，并給出了在控制器中易于實現(xiàn)的數(shù)字離散化處理過程。
參考文獻：
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