逆变器传递函数

lc滤波单相逆变器单电流环传递函数

LC滤波单相逆变器的单电流环传递函数是一个描述系统动态响应的数学模型，它表示了系统输入与输出之间的关系，具体形式取决于滤波器的设计和逆变器的控制策略。

详细

在电力电子技术中，逆变器是将直流电能转换为交流电能的装置。为了提高输出电能的质量，逆变器通常会配备LC滤波器，以减少输出电压和电流的谐波成分。在这个过程中，传递函数是一个关键概念，它描述了系统对输入信号的动态响应。

对于LC滤波单相逆变器，其单电流环传递函数是用于分析和设计控制系统的重要工具。该函数通常表示为G，其中s是复频率变量。传递函数的具体形式取决于LC滤波器的参数以及逆变器的控制策略。例如，如果采用比例-积分控制器来调节逆变器输出电流，那么传递函数将包含控制器的增益和积分时间常数等参数。

在实际应用中，为了得到满意的系统性能，工程师们会通过调整LC滤波器的参数和控制器的设置来优化传递函数。这样做可以确保逆变器在面对负载变化或电网扰动时能够快速稳定地响应。此外，传递函数还用于预测系统的稳定性、快速性和阻尼特性，从而在设计阶段避免潜在的问题。

举个例子，假设一个LC滤波单相逆变器，其电感L为1mH，电容C为10μF，采用PI控制器进行调节，比例增益Kp为1，积分时间常数Ki为100。在这种情况下，可以通过建立数学模型来推导传递函数，进而分析系统的频率响应、相位裕量和幅值裕量等关键指标。这些分析有助于指导逆变器的设计和调试过程，以确保其在实际运行中的性能和稳定性。

频域分析法——新能源并网稳定性分析的阻抗法

新能源并网稳定性分析是一个复杂的研究领域，涉及HVDC、多端馈入、小信号稳定和暂态稳定等问题。电力电子变换器的非线性特性以及多时间尺度特性导致变换器和电网之间存在广泛的频率耦合，不同频率段的稳定性特性各异，对此，《浙大辛焕海老师的文章和报告》[1]提供了深入的探讨，如图所示：

图中揭示了稳定性问题的多维度性，涉及到多个频率段，每个频率段对应不同的失稳现象。因此，频域分析法，如奈奎斯特判据和伯德图，是研究这一问题的有效工具。这种从频率角度理解并网稳定性的方法，对于研究人员来说，既熟悉又实用，尤其在2010至2020年间，相关文献和研究已趋于成熟，见[1]-[3]。

为了进行分析，首先需要对非线性系统进行线性化，将其转化为传递函数形式，然后利用奈奎斯特判据。例如，阻抗分析法，如R. D. Middlebrook教授在1976年提出的，适用于直流系统，通过分析输出阻抗Zout和输入阻抗Zin的比例，确保系统在理想条件下（Zout小或Zin大）的稳定性。然而，对于交流-新能源并网系统，存在两个关键挑战：如何处理MIMO系统（三相系统）的频域分析，以及电流源型并网的独特性，如孙健教授在2010年的突破[3]，我们以单相交流系统为例，避开MIMO问题。

对于电流源并网，逆变器和电网以不同的方式交互。逆变器作为电流源，对电网提供恒定的功率输入，通过分割系统为逆变器子系统和电网子系统，我们分析输入阻抗和输出电流的传递函数，如[公式]，确保每个子系统稳定后，再利用奈奎斯特判据判断整个系统的稳定性。实验结果显示，在电网条件较弱时，阻抗的增加会影响系统的稳定性和电流畸变，合理设计输入阻抗可以提升稳定性，而PLL锁相带来的频率耦合问题同样重要。

PLECS应用示例（88）:Z源逆变器（Z-Source Inverter）

本演示展示了一种用于燃料电池应用的电流控制三相Z源逆变器。图1显示了Z源逆变器的电路。Z源逆变器中独特的阻抗网络允许逆变器在降压和升压模式下运行。

阻抗源（或阻抗馈电）功率转换器，也称为Z-source逆变器（或转换器），使用由以X形状连接的分裂电感器和电容器组成的阻抗网络，将主转换器电路耦合到电源（或负载）。它可用于实现DC-AC、AC-DC、AC-AC和DC-DC功率转换，以取代传统的V源或I源转换器。

演示模型显示了Z源逆变器的一个示例，其中来自燃料电池源的直流电压被转换为三相交流输出。传统的V源逆变器（VSI）在没有额外的DC-DC升压级的情况下不能产生大于DC电压的AC输出电压。根据第2.1节中定义的降压-升压因子，Z源逆变器可以产生大于或小于DC电压的AC输出电压。需要一个与直流电源串联的二极管来防止反向电流。

在传统的VSI中，当DC电压施加在负载上时，有六种可能的有源开关状态（在三相支路中的每一个支路中只有一个上开关或下开关导通）和两种零状态（负载端子通过所有上开关或所有下开关短路）。Z源逆变器具有额外的零状态，当负载端子通过一个或两个或全部三相支路的上开关和下开关短路时。这种直通零状态为逆变器提供了独特的降压-升压特性。当直流电压足够高以产生所需的交流电压时，击穿零状态为非激活状态。否则，逆变器的等效直流输入电压将使用直通状态[1]升压。

锁相环（Phase-Locked Loop）PLECS组件库提供了一个同步参考帧锁相环（SRF-PLL）组件，如图2所示。它包含一个低带宽比例积分（PI）控制器，用于检测三相输入信号的相位角。然后，相位信息用于将AC输出电流和电压转换为旋转参考系（dq）[4]。

电流控制器（Current Controller）在交流侧的dq帧中，[公式] [公式] 其中，[公式] 和 [公式] 是电压， [公式] 和 [公式] 是电流， [公式] 是A相电压的峰值。交叉耦合项 [公式] 和 [公式] 是abc到dq变换的结果。为了实现简单的一阶对象，在控制器中提供它们作为前馈，以解耦q和d轴电流。

基于上述对象传递函数，使用K因子方法对电流控制器进行解析调谐。K因子方法是一种环路成形技术，其中可以针对指定的相位裕度和交叉频率准确地设计控制器。[2]中解释了使用K因子方法的控制器设计。

电流控制器的输出是一组三相正弦信号{Ma，Mb，Mc}。

射击任务计算器（Shoot-through duty calculator）当降压-升压因子BB大于1时，直通占空比计算器计算开环直通占空比d，如图4所示。

使用所提供的模型进行仿真，以观察PWM信号、输出交流电流和Z网络电容器电压。

在0.2 s时，d轴交流电流参考从5 A增加到10 A，在0.4 s时，q轴交流电流基准变为−5 A。观察输出dq电流遵循参考信号，如图6所示。

输出交流相电压为[公式] V，直到0.6s，见图7，输入直流电压为70V。因此，降压-升压因子BB为：

由于降压-升压因子大于1，所以启用直通占空比。Z源逆变器在升压模式下运行。从图8中可以观察到，穿透周期关于原始切换瞬间对称放置。

在0.6 s时，见图7，输入直流电压从70 V升压到190 V，新的调制指数计算如下：

由于降压-升压因子小于1，直通占空比为零，如图9所示。此时，Z源逆变器以降压模式工作，并使用传统的PWM调制方案。

该模型重点介绍了一个电流控制的三相Z源逆变器，展示了一些PLECS控制域组件，包括连续控制器方案和状态机调制器。状态机块评估由电流控制器生成的三相正弦调制指数信号的最大值和最小值，并插入适当的直通占空比值以获得新的比较信号。

EPS应急电源和UBS应急电源有什么区别

1、优先级区别：

EPS和UPS均能提供两路选择输出供电，UPS为保证供电正常，是选择逆变优先；而EPS是为保证节能，是选择市电优先。这两种优先级别主要是因为二者的目的不同所导致的。

2、可靠程度区别：

UPS由于是在线式使用，出现故障可以及时报警，并有市电作后备保障, 使用者能及时掌握故障并排除故障，不会对事故造成更大的损失。而EPS是离线式使用，是最后一道供电保障，因而其可靠性设计要求更髙，不能简单理解为后备式UPS。

3、供电对象区别：

EPS电源的供电对象是在电力保障与消防安全，其负载设备需为感性容性及整流式非线性负载等。而UPS电源往往可以给更多的负载设备使用，常见的有家用电器、机房电脑服务器等网络设备设施。

4、认证方区别：

EPS是在电网突发故障时，为确保电力保障和消防联动的需要，即时提供逃生照明和消防应急，保护用户生命或身体免受伤害，其产品技术要求受公安部消防认证监督，并接受现场消防验收。

不间断电源UPS是用来保护用户设备成业务免受经济损失，其产品技术要求接受信息产业部UL认证或者其他第三方认证。

百度百科-EPS应急电源

百度百科-不间断电源

工程化PR控制器的研究

在三相逆变器的电流内环控制中，PR控制器（比例谐振控制器）因其在基波频率下具备无穷增益，被广泛应用于实现无静差的电流控制。然而在单相逆变器系统中，PR控制器的优势更为显著，因其能够克服坐标变换和交流信号控制的难题。PR控制器的核心在于其理论，理想的PR控制器在单一频率下具有高增益特性，类似带通滤波器，中心频率处有90度相移。实际应用中，会考虑测量误差和参考波形频率变化，采用变形的PR控制器。

PR控制器与PI控制器的比较中，PR控制器对中心频率信号有抑制作用，增益随频率增大而增大，而PI控制器则适合处理周期较大信号，具有低通滤波器特性。离散化是将连续的控制理论转化为数字控制器的关键步骤，如采用欧拉前向差分法离散化PR控制器，公式如下：

[公式] (4) [公式] (5)

在工程实践中，根据传递函数

[公式]

会得到实际的离散化等式，如

[公式] [公式]

PI调节器

PI调节器的传递函数定义了其在不同频率下对输入信号的响应特性。其转折频率取决于积分时间常数(kp/ki)，在转折频率以下，系统表现出近似的积分行为，而在转折频率以上，则接近比例响应。在转折点处，系统相位滞后45度；当信号频率达到约10倍转折频率时，相位滞后大约5度。调整比例系数kp时，通过增加积分时间常数（增大ki）可以提高转折频率，从而提升低频增益。

在实际应用中，如电压源型逆变器（VSR）的电流环路设计，通过设置PI调节器的零点来抵消系统中的大惯性时间常数（即电感L与电阻R的比值），简化系统为典型的一型系统。设计者通过调整开环增益（如KT=0.5）来选择合适的比例系数，进而计算出积分系数。此方法有助于优化电流环路的跟随性能。

然而，当系统存在较大惯性时间常数时，所设计的积分系数可能会较小，导致系统开环增益降低，从而影响其抗扰能力。为提升抗干扰能力，可以保持比例系数kp不变，适当增加积分时间常数ki，以减小积分系数，提高开环增益。但这样做会带来电流环阶跃响应超调量增大的问题。因此，在设计时需平衡抗扰性和响应速度，以获得最佳性能。

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