一种单相离网逆变器母线归一化双环控制方法及系统

本发明涉及电力电子变换与数字控制，尤其涉及一种单相离网逆变器母线归一化双环控制方法及系统。

背景技术：

1、单相离网逆变器在便携式储能、电池供电装置、光伏离网系统以及实验室交流电源中应用广泛。此类装置通常采用全桥逆变主电路和lc输出滤波网络，以在较高开关频率下获得满足使用要求的正弦交流输出。现有单相离网逆变控制方法中，常见做法是通过输出电压外环和电流内环实现稳压控制，并辅以比例谐振pr或准比例谐振控制器改善交流跟踪性能。另一方面，为抑制lc滤波网络的谐振峰值，工程上还常通过有源阻尼、虚拟阻抗或电流反馈支路改善系统阻尼特性。

2、然而，已有方案中一类技术路线依赖输出电压有效值补偿构成外侧第三闭环，存在控制链路较长、参数耦合较强以及有效值计算窗口影响动态响应的问题；另一类方案虽然采用双闭环控制，但没有将直流母线电压波动引起的调制增益变化与电感电流前馈注入位置统一考虑，因而在母线波动、负载突变或非线性负载条件下，仍可能出现调制量失配、输出恢复慢和抑振效果不稳定的问题。

3、因此，有必要提出一种不依赖输出电压有效值补偿第三闭环、而是通过输出电压有效值给定与正弦参考生成、虚拟阻抗控制输出电感电流参考、电感电流pr内环、母线归一化以及调制前电感电流前馈支路协同工作的控制方法，从而提高小功率单相离网逆变器在复杂负载条件下的稳压能力和动态响应性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，为克服现有单相离网逆变器在lc滤波网络、负载扰动和直流母线波动条件下容易出现输出振荡、动态恢复慢和调制增益不稳定的问题，提供一种单相离网逆变器母线归一化双环控制方法及系统。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种单相离网逆变器母线归一化双环控制方法，包括：

3、获取直流母线电压、输出电压有效值给定、目标输出基波角频率；

4、根据所述输出电压有效值给定和所述目标输出基波角频率生成输出电压瞬时参考值；

5、采集逆变器输出电压，并与所述输出电压瞬时参考值构造电压误差；

6、对所述电压误差进行虚拟阻抗运算，得到电感电流参考值；

7、采集所述单相离网逆变器的输出滤波电感电流，并与所述电感电流参考值构造电流误差；

8、将所述电流误差输入比例谐振电流调节器，得到控制电压量；

9、利用所述直流母线电压对所述控制电压量进行归一化处理，得到基准调制量；

10、根据所述输出滤波电感电流构造电感电流前馈项，并将所述电感电流前馈项从所述基准调制量中扣减，得到最终调制量；

11、根据所述最终调制量执行单极性倍频正弦脉宽调制，生成所述单相离网逆变器中全桥逆变主电路的四个功率开关器件的驱动脉冲。

12、作为上述技术方案的进一步改进，生成所述输出电压瞬时参考值的步骤包括：根据所述目标输出基波角频率与当前时刻确定基波正弦信号，并将所述输出电压有效值给定与所述基波正弦信号相乘，得到所述输出电压瞬时参考值；构造所述电压误差的步骤包括：将所述输出电压瞬时参考值减去所述逆变器输出电压，得到所述电压误差。

13、作为上述技术方案的进一步改进，对所述电压误差进行虚拟阻抗运算，得到电感电流参考值，包括：根据预设的虚拟电感参数、虚拟电阻参数和数字控制周期，按照离散更新关系得到当前控制周期的电感电流参考值：；其中，，为当前控制周期的电感电流参考值，为上一控制周期的电感电流参考值，为当前控制周期的电压误差，为上一控制周期的电压误差，为虚拟电感参数，为虚拟电阻参数，为数字控制周期，k为控制周期序号。

14、作为上述技术方案的进一步改进，将所述电流误差输入比例谐振电流调节器，得到控制电压量，包括：按照连续域传递函数对所述电流误差进行比例谐振调节，得到所述控制电压量：；其中，为比例谐振电流调节器的连续域传递函数，为比例系数，为谐振系数，为谐振带宽，为目标输出基波角频率，s为复频域变量。

15、作为上述技术方案的进一步改进，利用所述直流母线电压对所述控制电压量进行归一化处理，得到基准调制量，包括：将所述控制电压量除以所述直流母线电压，得到所述基准调制量，所述基准调制量满足：，其中，为基准调制量，为控制电压量，为直流母线电压。

16、作为上述技术方案的进一步改进，根据所述输出滤波电感电流构造电感电流前馈项，并将所述电感电流前馈项从所述基准调制量中扣减，得到最终调制量，包括：将所述输出滤波电感电流作为电感电流反馈值，并根据所述电感电流反馈值构造电感电流前馈项；将所述电感电流前馈项从所述基准调制量中扣减，得到最终调制量，所述最终调制量满足：，其中，m为最终调制量，为基准调制量，为输出滤波电感电流。

17、作为上述技术方案的进一步改进，根据所述最终调制量执行单极性倍频正弦脉宽调制，包括：根据所述最终调制量生成调制参考信号，并采用全桥两桥臂载波反相、调制参考信号同频比较的调制逻辑，分别生成全桥两桥臂对应的互补驱动脉冲；所述两桥臂载波的相位相反，以使所述单相离网逆变器输出端的等效开关频率为载波频率的两倍。

18、本发明还提供一种单相离网逆变系统，包括：

19、直流输入单元，用于提供直流母线电压；

20、全桥逆变主电路，用于将直流电能逆变为交流电压；

21、输出滤波单元，连接于所述全桥逆变主电路的输出端；

22、输出电压采样单元，用于采集逆变器输出电压；

23、电感电流采样单元，用于采集输出滤波电感电流；

24、数字控制单元，用于根据输出电压有效值给定和目标输出基波角频率生成输出电压瞬时参考值，根据所述逆变器输出电压与所述输出电压瞬时参考值构造电压误差，对所述电压误差进行虚拟阻抗运算得到电感电流参考值，根据所述输出滤波电感电流与所述电感电流参考值构造电流误差，通过比例谐振电流调节器得到控制电压量，利用所述直流母线电压对所述控制电压量进行归一化处理得到基准调制量，根据所述输出滤波电感电流构造电感电流前馈项，并将所述电感电流前馈项从所述基准调制量中扣减，得到最终调制量；

25、驱动与保护单元，用于根据所述最终调制量对应生成的单极性倍频正弦脉宽调制驱动脉冲，驱动所述全桥逆变主电路的四个功率开关器件。

26、本发明提供的单相离网逆变器母线归一化双环控制方法及系统的有益效果在于：

27、本发明采用输出电压误差经虚拟阻抗控制生成电感电流参考、再经电感电流pr内环生成调制基准的双闭环控制，不依赖输出电压有效值补偿形成第三闭环，从而缩短控制链路并降低外侧参数耦合复杂度；在pr电流调节器之后引入直流母线电压归一化环节，可减小直流母线波动带来的调制增益变化，提高稳压一致性；将基于电感电流反馈的前馈项注入归一化调制指令端，对pr输出形成快速修正，有利于改善负载突变恢复性能并提高输出电压动态品质；采用单极性倍频spwm调制方式，提高输出端等效开关频率，降低滤波压力并改善输出波形质量；本发明的控制链路与数字实现顺序明确，便于在微控制器、dsp或fpga平台上实现工程部署。