采用電感電流內環的單相逆變器設計

摘要：分析了單相逆變器系統的數字控制特點，提出了一種帶輸出電流前饋的PI雙環(輸出電壓外環和濾波電感內環)數字化控制方案，利用極點配置方法對控制系統參數進行了設計，并對系統進行了仿真，最后給出了各種實驗條件下的實驗波形。
關鍵詞：單相逆變器；雙環控制；極點配置；數字控制

0 引言
要得到性能穩定的逆變器并聯系統，其單臺逆變器的性能非常重要，因此，單臺逆變器的控制方法選擇就顯得尤為重要。常見的單閉環控制技術主要有電壓瞬時值反饋、無差拍控制和重復控制等方案。為了滿足某些應用場合的高性能指標要求，近來又出現了電壓電流雙閉環控制。該方案的電流內環增大了逆變器控制系統的帶寬，從而使逆變器動態響應加快，同時加強了對非線性負載擾動的適應能力，也減小了輸出電壓的諧波含量。
依據內環電流反饋的不同，逆變器雙閉環控制可分為電感電流內環電壓外環和電容電流內環電壓外環兩種。在以濾波電容電流作為內環反饋的控制方法中，如果在電容電流內環電壓外環控制系統中增加電流限幅環節，其只能限制電容電流大小，而負載電流和電感電流完全不受其約束，因而不能通過限流實施對逆變電源的保護。在以濾波電感電流作為內環反饋時，通過限制濾波電感電流即可實現逆變器的過流保護。因此，通過對以上兩種控制方法進行比較，本文采用以濾波電感電流作為內環反饋的控制方案。

1 逆變器系統模型
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、死區效應以及濾波電容的等效電阻。

對于圖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域數學模型式：


2 逆變器控制系統的設計
本文的雙閉環控制結構由外環電壓調節器和內環電流調節器組成。其中外環電壓調節器Gv(s)一般采用比例一積分(PI)調節器，內環電流調節器Gi(s)可以采用比例(P)調節器。圖2所示是逆變器電感電流內環電壓外環控制系統的結構框圖。

在這個雙環控制方案中，電流內環采用PI調節器，簡稱雙環PI-P控制方式。其中電流調節器Gi(s)的比例環節用來增加逆變器的阻尼系數，以使整個系統工作穩定，并且保證有很強的魯棒性；電壓外環也采用PI調節器的作用是希望使輸出電壓波形能瞬時跟蹤給定值。這種電流內環電壓外環的雙環控制方式的動態響應速度很快，而且靜態誤差也很小。
設電壓電流調節器分別為：