基于极点配置的逆变器双环控制方案

基于极点配置的逆变电源重复控制器设计为改善逆变器动态特性和稳态性能，文章设计了极点配置和重复控制串联的控制器方案。

控制系统引入状态反馈和极点配置，采用重复控制器进行电压修正和补偿。

实验证明该设计提高了逆变器动态性能且能够获得更高精度的稳态输出波形。

标签：逆变器；重复控制；极点配置引言由于逆变器状态变量变化快且动态特性差，寻找一种既能保证稳态精度和快速实现的瞬时控制方案比较困难[1]。

将瞬时值控制结合重复控制，瞬时值控制主要用于改善逆变器动态特性；重复控制则专门用于获得稳态输出。

二者的结合和补充大大简化了控制器设计，且全面提升了系统的动静态性能。

1 逆变器重复控制策略重复控制系统示意图如图1所示，其中y为逆变器电压输出，r为参考正弦输入，d为等效的周期性干扰信号，e为误差信号，z-N为周期延迟环节，N为采样次数，P（z）为控制对象，C（z）为补偿器，其中阴影表示重复信号发生器的内模[2]。

图1 重复控制系统的示意图控制对象是单相半桥逆变器。

由于输出基波频率和滤波器的截至频率远小于逆变器的开关频率，故逆变器的动态特性基本取决于输出滤波器[3]。

实验装置单相半桥逆变电源构成如下：直流输入电压250V；滤波电容20uF；滤波电感1.1mH；采样频率10KHz；开关频率10KHz；死区时间2微秒；交流电压输出峰值100V，输出电压基波频率为50Hz。

连续域逆变器传递函数为[4]：在10kHz采样频率下将（1）用零阶保持器法离散因此可知一个周期采样的次数N=200，Q（z）取0.95，故周期延迟环节z-N=z-200。

2 重复控制与极点配置相结合控制逆变电源动态特性较差，是由于逆变器自身的阻尼较弱，即其两个极点太接近s域的虚轴或z域的单位圆[5]。

而为增加逆变器的阻尼可以引入状态反馈，进行极点配置。

仅通过状态反馈极点配置达到较高的稳态指标相对困难，增加重复控制可以解决此问题[6]。

首先配置状态反馈极点来改造逆变器的极点，改善其在指令跟踪和负载突变时的动态响应特性[7]；之后重复控制器采样计算极点配置控制系统的电压偏差值，据此渐次调整后者的电压信号提高基波幅值的输出精度和补偿波形畸变[8]。

逆变电源双环控制技术的研究与设计【摘要】通过对逆变电源的数学模型分析，以电感电流和电容电压为反馈量进行闭环控制。

双环控制方案的电流内环扩大逆变器控制系统的带宽，使得逆变电源动态响应加快，输出电压的谐波含量减小，非线性负载适应能力加强。

最后，通过仿真和实验结果，表明所设计的双环控制策略具有电流跟踪快速，电压稳定稳定的特点。

1 引言交流移动设备使用量越来越多，如何将直流电源变为稳定的电能提供给设备已成为研究热点。

近年来4G技术的快速发展，移动应急通信基站需要大量的逆变电源。

在研项目正在建设一个移动电源研究平台，将直流电通过一台逆变电源转变成设备所需的交流电源，该逆变器是系统的一个关键部件。

在此为移动逆变电源研究平台设计了以电感电流和电容电压为反馈变量双闭环的控制策略，通过该逆变电源，为移动交流用电设备提供稳定可靠的电能。

2 逆变电源的工作模式逆变电源工作在如图1所示的四象限模式下，实现能量从交流侧移动设备和储能电池的双向流动。

一、三象限逆变电源向移动负载设备输出电能，二、四象限逆变电源从移动设备回收能量。

3 逆变电源的模型电流内环控制结构框图如图3，经过电流霍尔采集逆变电源输出电流与设定电流值做差运算，通过调节，产生给定信号。

设定电压前馈叠加电容电压，在输出滤波电感上得到电流控制信号。

可得电流环传递函数图4 电压外环控制结构框图电压外环控制结构框图如图4，经过电压霍尔采集输出电压信号与设定值做差运算，通过调节，产生给定信号。

电感电流信号前馈得到电流的误差信号，乘上电流霍尔系数1/ ，叠加电感电流，在输出电容上形成输出电压信号。

可得电压环传递函数5 仿真与实验逆变电源的参数如下，直流侧电源电压Vd = 200V，开关频率10KHz，三角载波峰值5V，电流霍尔0.2V/A，电压霍尔100：1，滤波电感1mH，滤波电容30uF，负载20Ω。

仿真波形如下图5在0.0875秒，设置负载突变为10Ω。

输出电压的动态响应过程为2m秒，动态响应速度快，波形质量无明显变化。

PWM型光伏并网逆变器的双闭环控制系统设计及仿真研究刘建;冉玘泉【摘要】设计了单相光伏并网系统中PWM型并网逆变器的双闭环控制系统,内环采用固定开关频率直接电流控制,并用典型Ⅰ型系统进行设计.同时,为了使电压型逆变器稳定运行,必须对直流电压进行闭环控制来稳定直流电压.用Matlab/Simulink 中的Power Systems Block建立PWM逆变器双闭环控制系统仿真模型,仿真结果表明,电流有较好的跟随性,直流侧电压有较好的稳定性,该控制系统其能够实现单位功率因素并网,减少谐波分量,提高电能质量.【期刊名称】《电气开关》【年(卷),期】2015(053)005【总页数】5页(P63-66,69)【关键词】光伏并网系统;PWM型逆变器;双闭环控制【作者】刘建;冉玘泉【作者单位】西南交通大学电气工程学院,四川成都610031;西南交通大学电气工程学院,四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】TM921随着工业进程的加快，能源消耗越来越大，常规能源供给的有限性和环保压力的增大，促使人类去开发和利用新能源，太阳能具有很多常规能源所不具有的优点，被认为是21世纪最重要的新能源，因而光伏发电被认是综合缓解能源问题和环境问题的一种重要技术途径[1-2]。

逆变器作为光伏发电系统的核心，为了实现高效利用太阳能，对光伏并网发电系统中逆变器的控制方法进行研究具有实用价值。

逆变器并网发电的主要控制问题是使逆变器输出与电网电压同频、同相的正弦波电流，并能跟随并网容量给定值，而且要求电流畸变满足相关要求，控制谐波对电网的不利影响。

目前研究比较成熟的控制方法有滞环控制技术、三角波控制技术，无差拍控制技术等。

滞环控制方法硬件电路十分简单，属于实时控制方式，电流响应很快，不需要载波，输出电压中不含有特定频率的谐波分量[3]。

三角波控制方式输出含有与载波频率相同的高次谐波，且电流响应比瞬时值比较方式慢[4-5]。

无差拍控制[6]可以在有限拍的时间内跟踪到给定的状态变量，具有非常快速的动态响应能力。

基于双环控制和重复控制的逆变器研究摘要：研究了一种基于双环控制和重复控制的逆变器控制技术，该方案在电流环和瞬时电压环之外附加了一个重复控制环。

在实现输出电压解耦和扰动电流补偿后，根据无差拍原理设计的双环控制器使逆变器达到了很快的动态响应速度；位于外层的重复控制器则提高了稳态精度。

该方案在一台基于DSPTMS320F240控制系统的PWM逆变器上得到验证。

关键词：逆变器；双环；无差拍；重复控制引言随着闭环调节PWM逆变器在中小功率场合中的大量使用，对其输出电压波形的要求也越来越高。

高质量的输出波形不仅要求稳态精度高而且要求动态响应快。

传统的单闭环系统无法充分利用系统的状态信息，因此，将输出反馈改为状态反馈，在状态空间上通过合理选择反馈增益矩阵来改变逆变器一对太接近s域虚轴的极点，增加其阻尼，能达到较好的动态效果。

单闭环在抵抗负载扰动方面与直流电机类似，只有当负载扰动的影响最终在输出端表现出来以后，才能出现相应的误差信号激励调节器，增设一个电流环限制启动电流和构成电流随动系统也可以大大加快抵御扰动的动态过程。

瞬时值反馈采取提高系统动态响应的方法消除跟踪误差，但静态特性不佳，而基于周期的控制是通过对误差的周期性补偿，实现稳态无静差的效果，它主要分为重复控制和谐波反馈控制。

本文提出了一种基于双环控制和重复控制的逆变器控制方案，兼顾逆变器动静态效应，另外使用状态观测器提高数字控制系统性能。

1 逆变器数学模型单相半桥逆变器如图1所示，L是输出滤波电感，C是输出滤波电容，负载任意，r是输出电感等效电阻和死区等各种阻尼因素的综和。

U是逆变桥输出的PWM电压。

选择电感电流iL和电容电压vc作为状态变量，id看作扰动输入，得到半桥逆变器的连续状态平均空间模型为根据式(1)，很容易得到逆变器在频域下的方框图，如图2所示。

PWM逆变器的动态模型和直流电机相似，转速伺服系统的设计方法在这里也适用。

本文借鉴直流电机双环控制技术，并改造成为多环控制系统，在逆变器波形控制上取得了很好的效果。

基于双电流环控制的并网逆变器设计霍弘宇;陈伟琪【摘要】LCL滤波器可以有效抑制高次谐波，然而LCL滤波器的使用增加了系统阶数,对系统控制策略提出了更高的要求。

为此，采用一种基于极点配置的电流双环控制策略，以DSP作为主控制器，充分利用DSP控制器的CLA、高精度PWM 和AD等模块，使其硬件电路大大简化。

最后，通过极点配置的方法选定控制参数，整个系统操作简单、控制灵活、功能强大,实现了节能降耗和精密制动。

%LCL filter can attenuate the high frequency harmonics effectively. However,the LCL filter increases the orders of system,and has a higher requirements for control strategy. Hence,a method of dual-loop current control based on pole assignment is designed, it adopts the DSP as the main controller, makes full use of the CLA, high-precision PWM and AD modules of DSP controller,which greatly simplifies the hardware circuit. Finally.it selects control parameters through pole assignment. The system is simple,flexible and powerful,realizing the energy-saving and precision braking.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2011(019)013【总页数】4页(P131-133,137)【关键词】并网逆变器；电流双环控制；极点配置；LCL滤波器；Matlab【作者】霍弘宇;陈伟琪【作者单位】广州番禺供电局广东广州511400;广东省计量科学研究院广东广州510405【正文语种】中文【中图分类】TM464随着世界经济的发展，大部分正在使用的能源终将消耗殆尽，如何节约能源和开发利用环保、可持续的新型能源成为我们必须解决的问题。

双环控制逆变器设计方案及流程
一、初始设计准备
1.定义逆变器规格
（1）确定输出功率和频率要求
（2）确定输入电压和电流范围
2.确定控制策略
（1）选择双环控制策略
（2）确定内外环控制方案
二、电路设计
1.搭建逆变器电路原型
（1）设计逆变器拓扑结构
（2）选择适合的功率器件
2.设计双环控制电路
（1）设计内环电流控制回路
（2）设计外环电压控制回路
三、PCB设计
1.绘制逆变器PCB布局
（1）安排电路元件位置
（2）确保信号和功率线路分离2.进行PCB布线
（1）连接电路元件
（2）确保地线和供电线宽度
四、控制程序设计
1.编写双环控制程序
（1）编写内环电流控制算法（2）编写外环电压控制算法
2.硬件与软件调试
（1）调试控制算法
（2）确保逆变器正常工作
五、性能测试
1.进行逆变器性能测试
（1）测试输出功率和效率
（2）测试控制响应速度
2.优化设计方案
（1）根据测试结果调整设计参数（2）进行性能再测试。

一种单相电压型逆变器双环控制刘俊伟【摘要】文章以单相电压型逆变器为研究对象，给出了一种逆变器双环控制策略。

首先，基于单相电压型逆变器的主拓扑结构，建立了相应的数学模型，同时建立了逆变器传递函数框图。

其次，给出了相应的双环控制结构，该结构为内、外环均为比例控制。

在此基础上，采用极点配置法设计了相应的控制参数取值范围。

实验结果表明，文章所给的双环控制方法具有较好的动态控制响应和稳态控制性能。

%This paper taking the single-phase voltage inverter as the research object, an dual-loop control strategy is given. First of all, based on the main topology structure of single-phase voltage source inverter, mathematical model of the inverter is established, at the same time, transfer function block diagram is established. Then, giving the corresponding dual loop control structure, the structure for the inner and outer loop is proportional control. On above basis, the pole assignment method is used to design the control parameters. The experimental results show that the dual-loop control method has good dynamic response and steady state control performance.【期刊名称】《江苏科技信息》【年(卷),期】2016(000)027【总页数】3页(P64-66)【关键词】单相电压型;全桥逆变器;双环控制;比例控制【作者】刘俊伟【作者单位】陕西理工大学，陕西汉中 723000【正文语种】中文电压型逆变器作为电力电子的一个重要组成部分，被广泛应用于新能源发电、不间断电源、通信系统等重要场合，成为国民生产生活的关键设备［1-3］。

基于状态空间的PWM逆变器数字PI双环控制技术研究谢维;段建民【摘要】The practical application of digital control , including dual loop digital control technique with instantaneous voltage and current feedback, as well as the feature of sinusoidal wave pulse width modulation (PWM) inverters, were mainly studied .Based on the establishment of state space model for the inverter control system , a dual loop digital control strategy ( the inner loop is for inductor current and the out loop is for output voltage ) was proposed with output feed forward .After direct discretization , the control system ’ s parameters were calculated by a pole as-signment method .The simulation waveforms under various conditions were presented .Both the simulations and the experiments showed that the proposed technique was simple and feasible , which can meet all the performance re-quirements of the inverter power source perfectly .%主要研究了数字控制的实际应用情况以及脉宽调制（ PWM ）正弦波逆变器的特点，包括电流内环电压外环的双闭环控制。

基于极点配置的逆变器双环控制方案逆变器作为不间断电源的核心部分，广泛用于通信、金融等领域。

一个高性能的逆变器除了要满足体积、重量、电磁兼容等基本指标外，还需满足系统稳定，稳态电压精度高；总谐波畸变率(THD)含量小；动态响应快等要求。

重复控制可以校正逆变器在不同负载时输出电压的精度，具有很好的稳态输出特性，但由于其控制量输出有一个周期的延迟。

动态调节能力不足，而基于极点配置的电感电流内环电压外环反馈控制设计简单、鲁棒性好，但稳态控制精度不高。

因此，实际中常结合两者来协调校正输出波形。

在此提出基于极点配置的电感电流内环电压外环反馈控制方案，提高了逆变器的动态响应能力，然后增加重复控制调节输出电压的稳态精度，这一复合控制方案满足了逆变器的动静态特性、稳态精度，使用Matlab 仿真验证了此方案的可行性。

1 逆变器的数学模型控制对象的数学模型是进行理论分析和实验研究工作的出发点和基础。

由于功率开关器件的存在，逆变器本质上是一个非线性系统，分析起来有一定困难。

假设直流母线电压源的幅值恒定，功率开关为理想器件，且逆变器输出的基波频率、LC 滤波器的谐振频率与开关频率相比足够低，则逆变桥可以被简化为一个恒定增益的放大器，从而采用状态空间平均法得到逆变器的线性化模型。

单相电压型PWM 逆变器的状态模型电路如图1 所示。

图1 所示电路模型中，电压源v1 代表来自逆变桥的输出电压，电流源io 代表负载汲取的电流。

与滤波电感L 串联的电阻r 是滤波电感的等效串联电阻以及逆变器中其他各种阻尼因素的综合。

由状态空间平均模型可以推导出双输入同时作用时系统的s 域输出响应关系式(1)及方框图2 如下：2 复合控制方案分析提出的控制方案包括了基于极点配置电流电压双环和处于外层的重复控制环，双环控制采用电感电流内环和输出电压外环，重复控。

逆变器电压电流双环控制设计及研究本文针对逆变器的电压和电流控制进行设计和研究，主要包括双环控制策略、控制器设计和实验验证等方面。

1. 双环控制策略逆变器的电压和电流控制可以采用双环控制策略进行设计，即外环电压控制和内环电流控制。

外环控制器输出的控制量为电压参考值，内环控制器输出的控制量为电流参考值。

在外环控制器中，采用比例积分控制（PI控制）策略，控制器的输入为电压误差，输出为电压参考值。

在内环控制器中，同样采用PI控制策略，控制器的输入为电流误差，输出为电流参考值。

双环控制策略能够实现对逆变器输出电压和电流的精确控制，提高逆变器的性能和稳定性。

2. 控制器设计为了实现双环控制策略，需要设计外环控制器和内环控制器。

以外环控制器为例，设电压误差为$e_v$，控制参考值为$v_{ref}$，比例系数为$K_p$，积分系数为$K_i$，则外环控制器的输出为：$u_v = K_p e_v + K_i \int_0^t e_v dt$其中，$e_v = v_{ref} - v$，$v$为逆变器输出电压。

在实际应用中，为了避免积分饱和和积分器漂移等问题，通常采用积分分离控制（PID控制）策略对PI控制进行改进。

内环控制器的设计与外环类似，以电流误差为输入，电流参考值为输出，采用PI或PID控制策略。

3. 实验验证为了验证双环控制策略的有效性，可以进行基于硬件平台的实验验证。

以SPWM逆变器为例，可以搭建逆变器硬件实验平台，通过改变电压参考值和电流参考值，观察逆变器输出电压和电流的实际变化情况。

通过实验结果可以有效地评估双环控制策略的性能和稳定性，为实际应用提供参考依据。

总之，双环控制策略在逆变器电压电流控制中具有重要的应用价值，控制器的设计和实验验证是关键步骤。

三相并网逆变器的双环控制策略研究1引言随着新能源发电在全世界范围内应用越来越广泛，并网发电技术也成为一个重要的研究方向[1-5]。

而新能源如太阳能电池、燃料电池以及小型风力发电都需要采用并网逆变器与电网相连接。

通常并网逆变器采用高频PWM调制下的电流源控制，从而导致进入电网的电流中含有大量高次谐波，一般会采用L滤波器进行滤除，但是目前一些研究文献[6-7]提到LCL滤波器具有比和L型滤波器更理想的高频滤波效果。

从而常被用于大功率、低开关频率的并网设备，同时基于LCL滤波器的控制技术也成为新的研究热点之一。

尽管LCL滤波器滤除高次谐波效果明显，但是LCL滤波器是一个谐振电路，其谐振峰对系统的稳定性以及并网电流波形质量有很大的影响，如何设计控制器使系统稳定运行是必需解决的问题。

在这种情况下基于电流双环的控制策略被提出来，同时文献[8][9]都提出了引入滤波电容电流内环的电流双环控制策略的可行性，并没有提出电流双环控制器的设计方案以及分析内外环的比例参数对系统的系统稳定性以及谐波阻抗的影响。

与逆变器控制为电压源采用电压电流双环控制策略的设计方法不同。

由于电流双环内外环控制器的带宽频带相差不大，所以不能按照电压源型逆变器的电压电流双环分开设计思路来确定控制器参数，此外电流双环控制策略应用于并网电流的波形控制，被控对象为工作在并网模式下采用LCL三阶滤波器的三相逆变器，其开环情况下系统的三个极点离虚轴很近，如何合理设计控制器参数使闭环控制系统具备一定的稳定裕度和快速动态响应速度需要进一步研究。

基于以上分析本文针对三相并网发电系统的运行特点以及LCL滤波器的工作特性，研究基于LCL 滤波器的电流双环控制的少自由度问题，并提出了基于高阶极点配置的实用新方法设计电流双环控制器参数，并配合劳思－赫尔维茨稳定判据验证控制系统稳定性，同时验证控制器参数和系统参数在一定范围内变化的情况下系统的鲁棒性，并最终将该设计方法得到的控制器参数应用于三相并网发电系统的实验平台，通过实验结果验证本文所提出的基于电流双环控制的三相并网逆变器具备一定的稳定裕度和快速动态响应速度。

单相电压源型逆变器控制系统设计摘要：大量UPS系统在为许多不允许供电中断的重要用电设备提供不间断供电，研发UPS的关键便是电压源型逆变器，控制输出高质量电压波形，且带非线性负载和负载突变的情况下，仍能保持电压的稳定和高质量。

本文的主要内容是研究单相电压源型逆变器，采用电压电流双环瞬时值反馈控制技术，并详细讨论了基于极点配置的双环PI控制参数的整定。

同时提出单环超前滞后电压瞬时值反馈控制，并做了大量仿真研究，显示这两种控制方式都具有优越的控制性能。

关键词：双环控制；极点配置；超前滞后；电压源型逆变器The control system design of single-phase voltage sourceinverterAbstract:Uninterruptible Power Supply (UPS) systems are widely used for supplying critical equipment which can’t afford utility power failure. The core of a UPS system is a inverter which Control the output voltage waveform with high quality. Even connected with nonlinear load and mutational load, it still can maintain the stability of voltage and the quality. this paper is to study the single-phase voltage source inverter, adopting the instantaneous values of voltage and current double-loop feedback control technology. The dual-loop PI control parameters setting based on pole assignment is discussed in detail. At the same time single-loop instantaneous voltage value with the lead-lag control strategy. And lots of simulation have been achieved.A inverter is the core of a UPS system. To achieve nearly sinusoidal output voltage even with nonlinear loads, many waveform correction techniques have been proposed. This dissertation focuses on the research of the instantaneous feedback technology of PWM inverters. Both control methods show excellent performance.Keywords: dual-loop control；PWM inverter；CVCF；lead-lag control strategy1 引言能源的紧张，让人们越来越重视能源利用的高效性。

逆变器的双环控制原理逆变器（Inverter）的双环控制是一种常用的控制方式，主要应用于电力电子设备和工业电机的控制中。

该控制方式通过控制输出电压和输出电流的内部环和外部环，可以使逆变器输出的电压和电流具有良好的稳态和动态性能。

本文将介绍逆变器的双环控制原理。

第一部分：逆变器的基本结构和工作原理逆变器是一种将直流电转换成交流电的电力电子设备，其基本结构如图1所示。

图1 逆变器基本结构逆变器由直流电源、开关器件、滤波电路和控制电路组成。

其中，开关器件可以是晶闸管、MOS管、IGBT等。

当开关器件导通时，直流电源的电能就会被储存到电感、电容等储能元件中，当开关器件断开时，则会将储存的电能释放并送入滤波电路。

滤波电路主要由电感和电容组成，用于滤除高频噪声，从而得到稳定的直流电压。

逆变器的控制可以分为开环控制和闭环控制两种方式。

开环控制是指根据输入信号的变化，直接控制开关器件的导通和断开，从而控制输出电压和输出电流。

闭环控制则是通过反馈控制回路，不断调整开关器件的导通和断开，使输出电压和输出电流达到期望值。

实际应用中，为了使逆变器的输出电压和输出电流能够具有更好的稳态和动态性能，通常采用双环控制方式。

该控制方式包括电流环和电压环两个部分，如图2所示。

图2 双环控制结构图其中，电流环用于控制输出电流，而电压环用于控制输出电压。

电流环和电压环分别通过采集输出电流和输出电压的反馈信号，计算环节得到控制信号，之后在经过PI调节器之后，输出到开关器件控制电路中。

电流环的控制目标是保证逆变器的输出电流与期望值相等，可以使逆变器的负载具有恒定的电流特性。

电流环通常采用PI控制器实现，其输出信号与电流误差成正比，与其积分误差成正比，可以有效地控制输出电流。

第三部分：逆变器的闭环控制算法逆变器的闭环控制算法采用PID控制器结构，可以有效地控制输出电压和输出电流。

PID控制器的数学表达式为：u(t)=Kp*e(t)+Ki*∫e(t)dt+Kd*de(t)/dt其中，u(t)为控制器的输出信号，e(t)为反馈信号与期望值之差，Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数。