增刊刘飞等基于滤波器的并网逆变器双环控制设计运行特点以及滤波器的工作特性,研究基于电流、电容的电压。以及并网电感上的电滤波器的电流双环高阶控制系统设计中的降流为状态变量,在三相平衡的情况下根据阶与少自由度问题,并提出零极点对消与变量设定变换可得两相同步旋转内坐标系下的状态方程为方法相结合的新型实用设计方法来计算电流双环控制器参数,再配合劳思一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以及系统参会、数在一定范围内变化的情况下系统的鲁棒性,然后气一叭一—乌“叫几—“”将该设计方法得到的控制器参数应用于三相并网小了玉些一些由一由呱由、。一入风石“叫叮一会““·一几发电系统的实验平台,通过实验结果验证本文所提一鱼以一—“几‘“,,,出的电流双环控制器设计方案的三相并网逆变系统在应用中的可行性与实用性。一鱼、一呱‘,‘“生“咐一—“’,并网逆变器的状态空间数学模型一瓦‘“一瓦‘十翻卿,主电路拓扑图所示为三相并网发电系统的拓扑结构图,一瓦‘一瓦气“一翻“图中,枯为直流输入电源,,为输入直流母线滤式中“波电容,,一几为三相逆变桥的个开关管,“、“为三相桥臂电压与电网电压的匆分量。根据式所示的滤波器在坐标系为滤波电感的内阻和由每相桥臂上、下管互下的数学模型,旋转变换在系统的轴和轴锁死区所引起的电压损失,为滤波电感的内之间引入了强祸合,、轴电流除受控制量均和阻,、、组成三阶滤波器。。影响外,还受祸合电压毗。、一毗己、毗。、一毗场和祸合电流口、一田“以及电网电压、“、的影响。如果不对轴和轴进行解祸控制,“巴日“之口采用电流闭环控制时轴和轴的电流指令跟踪效果不是很理想。如果引入状态反馈解祸控制,解祸后控制系统图三相并网发电系统拓扑结构图一轴、轴的输出量为一“‘“一呱人。一佑“十尺‘“,三相并网逆变器坐标系下数学模型仇眺屯。滤波器状态空间模型的具体形式与所选状态。眺人己风砚。变量有关,为了建立采用滤波器的三相并网逆仇尺毗屯己变器的状态空间数学模型‘一,这里选择的电感图所示为状态反馈解祸控制原理图,如果引二三二二一二二二万口自“眨少逆变器模型型诬尖犯口口口扩习、、。一尸曰去、。,、、’一图向坐标系下基于状态反馈解祸控制原理图向© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
中国电机工程学报第卷入状态反馈量对这些祸合量全部进行解祸控制,不仅引入的状态量比较多,而且计算“、“、和’场的解祸控制量时还需要进行复杂的微分算法,这使控制器的设计非常复杂,此外与控制器设计相关联的系统参数非常多,这样控制器的性能非常依赖建模时各个参数的精确度,如果任何一个相关联的参数在系统运行时有变化,则会影响控制器的性能。因此,基于以上分析选择变换将三相逆变器图几竺飞坚竺剑剑并网逆变器双环控制系统等效框图似变换成个等效的单相逆变器在叨坐标系下进行变换和复杂的解祸过程,使控电流双环控制器的设计方案电流双环控制特性虽然都是双环控制,滤波器的逆变器采用电流双环控制策略与电压源逆变器的电压电流双环控制在原理上完全不同。并网逆变器控制为电流源实现并网功能,首先并网逆变器的指令为电流指令,其次电流控制器的响应速度远比电压控制器的快,在设计上内外环的影响不能像电压电流双环一样在设计电流内环时可以忽略电压外环的影响。因此内外环不能独立设计,需要根据控制器的性能要求同时设计内外环控制器参数。系统稳定条件在设计控制器时,首先需要考虑的问题是基于控制,可以避免制器设计起来相对比较简单。下文所提的三相并网逆变器的控制策略都是基于峭坐标系展开研究。基于电流双环控制的原理分析文献【一己经从系统稳定性进行分析得出基于并网电流单环用电感电流电容电流运行。控制无法使系统稳定运行,采所示的作为内环电流反馈的电流双环控制对作为内环反馈的双环控制,在选择合适系统稳定性没有明显的改善,但采用如图的内外环控制器参数情况下完全能够使系统稳定图电感电流外环电容电流内环系统框图浓双环控制系统的稳定性。根据式所推导出的开环传递函数为人,人乓心、一、‘,凡乓走一掩式中叹。凡。‘式中将图叹萝凡。等效变换为图所示的电流双环控制闭环传递函数为乓粤比戍,几,人系统等效图,其参考信号为坛叽厂。图和并网电流几式入一八中,反馈通道的反馈信号由电容电流特征方程为几及积分量分别乘以、凡、个常系数的总和形成。如果把电容电流和并网电流几及其积一风拭一、凡一由于是,一十一尽的线性系统,根据劳思一赫尔维茨一分量看成系统的个状态变量,则图是以坛为输入量,以、坞、组成状态反馈增益矩阵的状态反馈控制系统。可以看出,当改变内环控制参数凡时,也同时改变了电容电流和并网电流几及其积分量的反馈通道系数、凡以及,因此导稳定判据,特性方程各项系数为正,且刁二,。,以及次。子几十一阿匡恤队陌阵凡,可得致电流双环控制器无法通过改变凡、和的数几人值将系统的闭环极点配置到所希望的位置上以满足性能指标要求,也是下一步采用高阶极点配置的方法设计电流双环控制器参数时需要解决的问题。十人可入人© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
增刊刘飞等基于滤波器的并网逆变器双环控制设计因此,只要满足劳思一赫尔维茨稳定判据推导姚凡。。将式零极点对消,需要满足以下关系式出的关系式,就能使系统稳定或者可以通过设计所得的控制器参数代入不等式符合系统稳定的充分必要条件。进行验算,是否由式姚一【姚一一可得零极点对消后的开环传递函数为—八基于高阶极点配置的双环控制器设计方案不‘,一兀从式可以看出,双环控制器的闭环传递函数阶系统,需要采用极点配置的方法阶双环控制系统的姚一。一乃姚一是一个典型的进行控制器的参数设计。假设了、八︶、希望闭环主导极点为、,一执士。丫正丁,希望的闭环非主导极点分别为一二以,一二琳,则双环控制系统的希望特征方程为,不兀兀。双环系统闭环控制下的希望特征方程为爵琳、时比较式、一人几凡双有二以二琳一二二码时或以二琳盯衅或以一仪一盯犯一一氏一一氏一戈仪一时。二或时,但因此为了得到控制器参数只需求解式是凡、和变量无法满足个方程式,这里需时凡盯二时盯劈毋情况要另外设定一个变量。阻尼比或和自然频率麟都可以选择作为变量,选择哪个更合适,它们之间是否存在一一对应的关系,需要再进一步分析。由式及化简得出阻尼比二和自然频率麟以通过式可以看出,给定码、二、和之间的关系式为下,个变量凡、和无满足个方程,即个闭环极点不能任意配置,与图的原理分析结果是一致的。从滤波器电路可以看出,输出几不能反映状态变量的变化,因此不可观测,但是由于控制系统引入了电容电流。的反馈,且存在关系式一。,通过控制输入“和电容电流。的,正如图二刀一梦琳刀如式尺尺忽略尺与所示,中含有参数毋时刀。和刀都是常数,丑乙乙,由于五乙大小差个数量级左右,因此可以项的影响,认为为一个常数。基于反馈控制进而可以控制比例参数的分析,并网以上分析,在二的情况下可以得到阻尼比二和自然频率以的关系图,如图所示。通过对图的分析可得,阻尼比爵与自然频率码之间存在一一对应关系且变化趋势相反,设计控制器性能时需要考虑二与码之间的变化趋势,即电流外环与电容电流内环控制器通过内环控制器祸合在一起。这也是双环控制不足的地方,如果再引入状态变量反馈解祸,会给检测成本和控制器设计带来不利影响。双环在文献【一中己经证明可以使系统稳定运行,只是没有提出精确的控制器参数设计方法。因此针对电流双环控制这种特殊的少自由度的情况,寻求简单实用的参数设计方法是本文的研究重点。基于以上分析,为了使少自由度的控制系统能够通过配置系统的闭环极点来精确计算双环控制器的参数,需先采用零极点对消的方式,剩下一对假定合适的阻尼比二,选择自然频率以作为变量,通过方程组可以求得唯一正解。夕凉已︵︾义一图阻尼比二和自然频率麟的关系曲线址介叫共扼极点与一个负实数极点再通过配置到合理的位置来计算双环控制器的参数。令二。。,。,。,姚。,© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
中国电机工程学报第卷以凡、和二、和以作为变量的四元方程组,二、二和、波德图,可以看出系统的相角裕度在和在考虑到系统自身阻尼情况下,这里设定二二,并代入系统参数林、尺尺,之间变化。同理如图和和的理论计算参数的约分别在一和一所示,以和变化,其系统的相角裕度之间变化。此外。,经过式可以计算出凡·,域下·,码在实际装置运行时,一些与控制器相关的硬件参数,如滤波器参数,会随着温度的变化而改变,滤波器参数变化时对系统稳定所示,以的参数巧。变化,因此需要分析性影响。如图和和。另外可得士,匀点与极点位置为,心,个闭环极点的位置为。零极点对消的开环零。图所示为闭环零极所示的双,具备合适点分布图,可以清楚的看出零极点对消的位置以及主导极点和非主导极点的分布情况。图环控制器的带宽频率为既二画出开环系统波德图,可以看出系统的相角裕度在以之间变化。同理如图、所示,的参数的巧变化,其系统的相角裕度一和一之间变化。的系统带宽。将计算出的控制器参数代入式可分别在得刀扭。一一、丑刀一刀。。一是满足系统稳定性的条件。‘、闷夕兀理曰,一一理呷产哗一艘娜一一兴一二践育人适心以泌宁川入妙众彩执钓套。片下丈上上价变化士卿。耐牡一全、一井刁十一一卜、价耳橱今一一凌场飞涵‘、卜一一‘实轴图闭环电流控制系统零极点分布图·比一功一一…一一一一一一…一…一丫之…万变化幼山国月一芝—火习一一毛一映芝私。︵卜卜卜火火图闭环电流控制系统的波特图一一在实际闭环控制系统中,控制器参数调整不可能做到理论分析的零极点完全对消。在这种情况下,实际系统参数与理论计算参数之间的误差对系统稳定性影响需要进一步分析。如图别以耳理论计算参数的”所示,分变化,画出开环系统‘下一卜瓶一一、之…变化巧图控制器参数变化时系统开环波特图比衅。·七© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
增刊刘飞等基于滤波器的并网逆变器双环控制设计分析,可以看出,在实际电网电压含有低次谐波情况下,并网电流的各次谐波得到很,一权火火洲卜派…一一」林砚三三电感值变化”好的抑制,而且其总谐波畸变率流指令从突增到。图所示为系统动态响应实验波形,可以看出当并网电时,实际输出电流在一个正弦周期内快速调整并稳定在新的电流值。通过以书习电「「刁电」压」相多多手网电流,流龚二奄、︵寒的︶︵、不户二电感值变化当。岌执又又八八八「二八八,岁珍””琢’一甘以’刃一一二一格图基于电流双环控制方案的并网电流实验波形比钾。·垮乙之︵﹃霎一一一汁‘火火牵酥巴。之︵相并网电流乙流砂翅电流椰一卜井网格布一了下丈……电容值变化幼图三相并网电流实验波形理·‘享口乙…俪〕口。旧〕。…图,滤波器参数变化时系统开环波特图·砂「二刚‘日二“频次‘。。。确口,,,实验结果分析搭建三相并网逆变器的实验台架,验证双环控制器中参数设计的合理性。由单相整流桥提供比的直流电压,并网逆变器与电网之间采用变的工频变压器隔离。开关频率为。节的控制策略以及正弦脉宽调制,蟾奄巴︵﹃图相并网电流一频谱分析浓采用第方式,使用第节中理论计算出的控制器凡、和参数值,经过实验调试现实了三相并网逆变器并网稳定运行。图、所示为相电网电压与并网电流实洲八八八万沪沪沪勺了丫讥勺勺勺气向从格代验波形以及三相并网电流实验波形,图相并网电流波形总谐波畸变率所示为图系统动态响应实验波形丫© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
中国电机工程学报,,,,一第一,卷上的实验结果验证了本文针对电流双环控制提出的设计方案的可行性以及理论分析的正确性。【留结论【」,,,一」···本文对采用滤波器的三相并网逆变器建【一理,一,,立完整的数学模型,在介绍电容电流内环并网电流外环的双环控制策略基础上,针对控制器高阶闭环系统及特有的少自由度问题进行深入分析,并提出了相应的设计方案,最后通过三相并网逆变器的实验平台实现电流双环控制的并网运行,验证了基于双环控制策略的参数设计方案的实用性和可行性。【一·一介【」·一,,,,哪生,砍·,,,·参考文献【」」,一】,【」,,川,,】刘飞,查晓明,周彦,等一,,基于极点配置与重复控制相结合的三,,一相光伏发电系统的并网策略研究【电工技术学报,朋,钧,」叮’·,,,,」一控制的多输出并网逆变器一劫亡一把一【姚志垒,肖岚工程学报,物。,基于,正中国电机,,」·竹一一·,,【」切,,」·一,吧一【】汪海宁,苏建徽,丁明,等机工程学报,台,光伏并网功率调节系统一,中国电,·一·,,,,一一,凡,」·,,,即【】,一具有光伏并网发电功能的统一电能,,一,,〔】张国荣,张铁良,丁明,等质量调节器仿真,中国电机工程学报,,一【】,山一,【』·,,··,,一卜比【」,,,一环曰,玛一,如」,一,,,,,,收稿日期滤波器并网逆变器的分裂电容法电流控制,一一。一,男,博士后,研究方向电能质【」沈国桥,徐德鸿,作者简介刘飞量控制和三相光伏并网发电系统控制技术研究,·中国电机工程学报,一一」,,,一【」压一豪一￡’蓦段善旭一男,教授,研究方向电力电粪子变换技术以及新能源发电,【】亡刘飞查晓明一,男,教授,博士生导师,研,一,究方向为电能质量控制和新能源及微网技术。」【儿编辑吕鲜艳© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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