逆变器电压电流双闭环控制系统设计

第35卷第3期2019年3月
电力科学与工程
Electric Power Science and Engineering
Vol.35,No.3Mar.,2019
收稿日期:2018-11-29
基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(SS2012AA052601)作者简介:余裕璞(1994 ),男,硕士研究生,主要研究方向为分布式电源与微网技术;
顾煜炯(1968 ),男,教授,博士生导师,主要研究方向为设备故障诊断㊁可再生能源发电技术;和学豪(1994 ),男,博士研究生,主要研究方向为风力发电控制技术㊂
通信作者:余裕璞
doi:10.3969/j.ISSN.1672-0792.2019.03.001
逆变器电压电流双闭环控制系统设计
余裕璞,顾煜炯,和学豪
(华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206)
摘㊀要:逆变器在可再生能源发电中作为连接能量输入与输出负载的装置,发挥着重要作用,采用合适的控制系统可以得到满足后端电能质量需求的电能㊂针对电压单环控制调整滞后的缺点,补充中间电流反馈环节以提高控制系统的工作频率㊂比较了电感电流内环与电容电流内环反馈系统的区别,选取负载抗扰动性能更强的电容电流反馈系统,该控制方案对一般及整流性负载的干扰同时具有较强的平抑能力㊂针对输出电压及电感电流在数学模型上的交叉耦合作用,通过耦合信号前馈削弱其对控制系统的影响㊂提出一种基于 模最佳 的整定方法,对调节器的参数进行设计,最终利用仿真验证了所提设计方案的有效性㊂关键词:逆变器;双闭环控制;前馈解耦;模最佳
中图分类号:TM712㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1672-0792(2019)03-0001-07
Design of voltage and current double closed-loop
control system for inverter
YU Yupu,GU Yujiong,HE Xuehao
(School of Energy and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,102206,China)
Abstract :The inverter is able to output the power which can meet the load requirements with appropriate control systems,and plays an important role in renewable energy generation systems as a device connecting renewable energy generation and load.In consideration of the regulation lag of single voltage loop,an inner current loop was added to improve the working frequency of the control system.The difference between the inductor current feedback and the capacitor current feedback was
compared.The capacitor current feedback control system which suppressed the disturbance of general and rectifier loads more strongly was adopted.Regarding of the cross coupling of the output voltage and inductor current on the mathematical model,the coupling signal feedforwards were introduced to weaken their influence on control system.A design method was proposed to set the parameters of the control system based on theory of optimal module.Finally,an emulation model was developed and simulation results verified the effectiveness of the proposed method.
Key words :inverter;double closed-loop control;feedforward decoupling;optimal module
㊀㊀
电力科学与工程㊀2019年
0㊀引言
㊀㊀可再生能源在能源安全㊁能源总量㊁能源可靠性㊁环境无污染等方面均优于传统化石能源[1~3]㊂微电网技术是利用可再生能源的主要方式之一[4~6], 就地采集㊁就地使用 减少了中间环节的损耗,提高能量利用率㊂逆变器是微电网中用于电能转换的主要装置[7],保证微网运行可靠性㊂逆变器的控制方案不局限于一种[8,9],主要根据其运行目标确定㊂在离网运行方式下其运行目标是维持母线电压和频率的恒定,保证负荷的电能质量需求,并网模式下运行一般要求输出给定的有功和无功[10]㊂逆变器控制早期采用输出电压瞬时值反馈的单环控制,可以在一定程度上抑制负载的扰动,调节输出电压的波形,但是负载发生较大变化时输出电压畸变严重,其动态响应慢导致电压畸变调整时间长,不利于负载的正常工作㊂文献[11,12]指出单电压环控制在开关频率较低㊁滤波电容较小的情况下系统动态性能与双环控制差别不大,同时单电压环控制具有更强的负载扰动抑制能力,但开关频率太低可能使输出电压的低次谐波含量升高㊂
提高逆变器的响应速度,可以采用基于工业串级控制思想的双环控制系统[13,14],即在目标电压环的内部,增加变化较快的电流量作为反馈变量以提高控制系统的工作频率㊂目前应用较为广泛的电流控制方法主要是模型预测控制[15,16],滞环控制[17]及正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)控制[18]㊂模型预测控制效果取决于被控对象数学模型的精确程度,而电路参数随工作状态㊁线路老化等有所变化,因此其鲁棒性较差[19]㊂滞环控制响应速度快,稳定性高,但是其开关频率不固定,谐波频谱变化范围宽,不利于输出滤波器设计[20]㊂相对而言,SPWM控制可以兼顾扰动下的鲁棒性及动态响应特性,同时具有控制系统简单的优点㊂
本文详细地阐述了逆变器电压电流双闭环控制系统的设计流程㊂采用SPWM方法对内环电流进行控制,从逆变器输出阻抗角度比较了不同反馈变量的优劣,然后针对同步坐标系下电压外环电容电流内环的d㊁q轴分量耦合特性设计了解耦方案,基于 模最佳 的方法设计了电压电流调节器,最后利用PSCAD/EMTDC仿真检验了所提设计方案的有效性㊂
1㊀三相逆变器数学模型
㊀㊀三相全桥逆变器电路结构,如图1所示㊂直流侧一般接有平滑可再生能源出力波动的储能系统,可连同电容一起看成稳定电压源㊂直流侧电压通过电容滤波后,由全控电力电子器件转换为三相交流电,经LC滤波器滤波后供负载使用㊂逆变器采用正弦脉宽调制策略㊂考虑三相平衡情况,滤波器参数相同,电容值为C,电感值为L
㊂
图1㊀三相全桥逆变器拓扑结构
根据每相的电压平衡有:
U i k-U o k=L
d i L k
d t(1)式中:U i k(k=a,b,c)表示逆变器相电压,U o k(k= a,b,c)表示电容两端电压,也为负载相电压, i L k(k=a,b,c)表示滤波电感电流㊂电容电流可用负载电压表示如下:
i C k=C
d U o k
d t(2)式中:i C k(k=a,b,c)表示滤波电容电流㊂
静止坐标系下的电压电流均为正弦交变量,为方便控制系统设计,可通过abc-dq坐标变换将静止坐标系下的交变量转换成旋转坐标系下的恒定量㊂dq坐标系的选择与数学模型有关,这里选择旋转电压相量初始时刻和d轴重合,并且d轴领先q轴90ʎ㊂
根据(1)式:
U i d-U o d=L
d i L d
d t+ωLi L q(3)
U i q-U o q=L
d i L q
d t-ωLi L d(4)㊀㊀根据(2)式:
2
㊀
第3期㊀
余裕璞,等:逆变器电压电流双闭环控制系统设计
㊀C d U o d d t
+ωCU o q =i C d (5)C
d U o q d t -ωCU o d =i C q
(6)
㊀㊀因此dq 坐标系下逆变器数学模型可用图2表示如下,其中虚线表示d ㊁q 轴分量之间的交叉
耦合作用
㊂
图2㊀旋转坐标系下逆变器数学模型
2㊀内环电流控制分析
㊀㊀电压外环控制系统的工作频率低,响应速度慢,若以变化较快的电流为反馈变量可有效加快控制系统的动态响应㊂内环电流反馈量可选择电感电流
[21,22]
或者电容电流
[23,24]
㊂其控制结构分
别如图3㊁图4所示
㊂
图3㊀
电感电流内环反馈控制结构
图4㊀电容电流内环反馈控制结构
电压外环输出量作为内环控制量的给定值,误差经过电流调节器处理后与载波交截,所得SPWM 控制信号控制开关管的通断㊂采用电感电流反馈时,由于电感电流就是通过开关管的电流,
对其限幅就可以达到开关管的限流保护作用㊂同时电感电流包含了流过负载的电流,控制了电感电流同时,也限制了负载电流的变化,负载扰动较大时,控制系统限制负载电流的变化,导致波形的畸变,这种畸变在带整流类负载时尤为严重㊂为了削弱负载电流变化对控制效果的影响,可以在控制系统中加入负载电流前馈[25],若前馈环节的反馈系数为1,则相当于电容电流反馈控制㊂文献[26]从控制结构上对两种控制方式进行了比较,
但未能对问题的本质进行分析㊂
对比以上结构可以看出,两种控制系统的差别主要在于电流内环是否包含负载电流的扰动,而这主要影响输出电压的抗负载扰动性能,因此从平抑负载电流扰动上可比较二者的控制效果㊂逆变器的输出阻抗可以衡量其外特性的刚度,反映负载电流变化对其两端电压的影响,输出阻抗越小,表明负载变化对输出负载电压的影响越小,系统抗扰动性能越强㊂
定义逆变器的输出阻抗为负载电压与负载电流之比㊂显然,不同频率的电流对应逆变器的不同阻抗㊂根据图3㊁图4的内环电流控制图可以得到以i o 为输入,U o 为输出的传递函数,即输出阻抗,将电流调节器简化为比值K 进行分析㊂
内环反馈变量为电感电流时输出阻抗为:
U o (s )i o (s )=-Ls +K LCs 2+KCs +1(7)㊀㊀内环反馈变量为电容电流时输出阻抗为:
U o (s )
i o (s )=-
Ls
LCs 2+KCs +1
(8)
㊀㊀相同参数下绘制式(7)㊁式(8)幅频曲线,如图5所示㊂从图中可以看出,两种控制系统
在高频段性能相同,但以电容电流为内环反馈变量的输出阻抗幅频特性曲线在低频段具有更低的值,逆变器输出电压对负载变化较不敏感,因此中间反馈变量采用电容电流的控制系统对负载的扰动具有更强的抑制能力㊂从控制结构上看,电容电流内环包含了负载扰动,而内环的
工作频率高于电压环,可在其影响到输出电压之前抑制较大部分扰动,电流环 粗调 后再由电压环 细调 ,加速动态响应的同时保证输出交流电的电能质量㊂
3㊀双闭环控制系统设计
㊀㊀电压外环的主要目标是控制输出电压的稳定,属于定值控制系统,使电压维持在一定范围
3
㊀㊀
电力科学与工程㊀2019
年
图5㊀输出阻抗幅频特性曲线
内,电压调节器应采用无误差的PI调节器;而电
流内环的主要作用是加速控制系统的响应,属于
随动控制系统,对电流量没有控制精度的要求,因
此电流调节器采用P调节器㊂图2中虚线代表了
d㊁q轴分量相互的耦合关系,d㊁q分量的耦合不利
于控制系统的设计,为了让d轴给定量控制d轴
分量,q轴给定量控制q轴分量,通过耦合信号前
馈弱化来自数学模型中分量之间的耦合关系,以d
轴为例,控制系统结构如图6所示
㊂
图6㊀前馈解耦控制系统
原旋转坐标系下d㊁q分量耦合的数学模型经
过解耦转变为两相互不干扰的数学模型,两相的
控制系统结构相似,可任取一相完成控制系统设
计㊂以d轴为例,解耦之后的系统控制结构如图7
所示
㊂
图7㊀解耦之后d轴分量控制系统
双环控制系统参数整定采用先局部后整体的
方式,先整定内环参数,然后做全局校正,设计过
程中须做适当简化:由于输出电压U o d是电容电流
积分的结果,响应较慢,对于电容电流内环来讲,
输出电压是一个变化缓慢的扰动,而且电流内环
的工作频率高,电流值更新快,电压外环工作频率
低,电压值更新慢,在进行内环控制系统设计时可
暂时忽略输出电压的扰动对电容电流内环控制的
影响;另一方面,SPWM环节存在一定的惯性,可
将其简化为一阶惯性环节,从而得到简化之后的
内环电流的控制系统结构如图8所示
㊂
图8㊀电容电流内环控制结构
其开环传递函数为:
G io(s)=PK PWM
sL(T PWM s+1)
(9)
式中:P为比例控制系数㊂这是一个典型I型系
统,随动性好,具有较强跟踪给定值的能力㊂可按
最佳二阶系统进行参数参数,其最佳条件为阻尼
比ξ=1/2,由此可得:
P=L
2K PWM T PWM(10)
㊀㊀对电压外环来讲,内环电流的工作频率较高,
一般认为,电流闭环频率特性的截止频率ωbi与电
压外环闭环频率特性的截止频率ωbu满足ωbiȡ
3ωbu时,即可认为在内环电流的动态过程远远快
于外环电压的动态过程,因此电流内环可看成一
个简单随动系统,将其简化为一阶惯性环节㊂电
流内环的闭环传递函数为:
G i(s)=1
LT PWM
PK PWM s2
+L
PK PWM s
+1
(11)
㊀㊀简化后为:
Gᶄi(s)=1T
C s+1
(12)
式中:T C=L/PK PWM㊂
内环简化后的电压控制结构如图9所示
:
图9㊀电压外环控制结构
电压控制系统的开环传递函数为:
G uo(s)=K P T I s+1
T I Cs2(T C s+1)(13)
式中:K P为PI调节器比例控制系数;T I表示PI
调节器积分时间常数㊂这是一个典型II型系统,
具有较强的抗扰动性能,调节器参数设计考虑 模4
㊀
第3期
㊀
余裕璞,等:逆变器电压电流双闭环控制系统设计
㊀
最佳 条件:闭环传递函数的模为1,即稳态误差为0;相位滞后为0,即动态响应速度无穷大㊂由于三阶系统不可能没有惯性,其相位必定有所滞后;另一方面,电压环的控制目标主要是维持输出电压的稳定,要求具有较强的抗扰动性能,所以这里只考虑系统稳态误差的要求㊂
该系统的闭环传递函数为:
G u(s)=K P T I s+1
T I T C Cs3+T I Cs2+K P T I s+1
(14)㊀㊀其幅频特性A(ω)如下:
A(ω)=
(K P T Iω)2+1
(T I T C C)2ω6+(T I2C2-2K P T I2T C C)ω4+(K2P T I2-2T I C)ω2+1
令A(ω)=1,显然T I=0时成立,但PI控制器中的
K P㊁T I均不为0㊂但也为上式的求解提供了方向,当T I趋于0时,可将幅值条件简化如下:分子部分(K P T Iω)2+1ң1,则分母也为1,分母为ω多项式,忽略高阶项,由各项系数为0得:
T I2C2-2K P T I2T C C=0,
K2P T I2-2T I C=0
{(15)㊀㊀因此可得外环电压PI调节器的参数如下:
K P=C2T
C
T I=2C K2
P
4㊀算例分析
㊀㊀在PSCAD/EMTDC中搭建逆变器模型,并针对表1中的逆变器参数进行电压外环电容电流内环的控制系统设计,计算可得电流内环比例控制P=18,电压外环比例系数K P=0.04,积分时间常数T I=0.01,低频段(K P T Iω)2≪1满足要求㊂ωbi =3.85ˑ104rad/s,ωbu=8.49ˑ103rad/s满足ωbi ȡ3ωbu的要求㊂
表1　逆变器额定参数
项目数值
额定输出电压220
V 额定输出频率50
Hz 输出滤波电容8μF 输出滤波电感 3.6mH
PWM开关频率20kHz
㊀㊀逆变器初始负载为22A,0.5s之前为启动的暂态过程㊂1s时负载增加22A,1.5s时负载降为初始值,2
s时接入2.5kW的整流负载,整个过程a相负载电流及电压变化曲线分别如图9㊁10所示㊂从图中可以看出系统的稳定性高,负载突然投切时控制系统动态响应快,且超调量很小,仅
图10㊀负载电流幅值变化曲线
图11㊀负载电压变化曲线
有6%㊂带一般负载时,输出负载电压稳定,电路暂态很短,负载电流的大幅扰动对输出电压的波形基本没有影响;突增非线性负载时,输出电压有一定的超调量,但超调量仅仅持续了0.8ms,然后恢复正常,逆变器具有较硬外特性,内环控制系统采用电容电流反馈对由负载扰动而引起电压波动的抑制能力较强㊂
图12㊀升负载时电流变化暂态过程
如图12~图14所示为负载变化时逆变器输出电流的暂态过程,调节时间很短,在1ms内基本
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㊀㊀
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年图13㊀
降负载时电流暂态过程
图14㊀带非线性负载时电流暂态过程
结束暂态暂态过程㊂带一般性负载时,暂态过程
变化平缓,波形平滑,没有高频振荡分量,控制效
果好;稳态时的负载电流经傅立叶分析得出其电
流谐波总含量THD=0.7%(Total Harmonic
Distortion,THD)㊂带整流性负载时,负载电流
THD=2.3%,均满足电流谐波总量小于5%的要
求,控制系统提升了逆变器承担非线性负载的能
力㊂
5㊀结论
㊀㊀本文比较了双闭环控制中内环不同反馈变量
的控制系统,其中采用电容电流反馈控制系统的
逆变器在低频段的输出阻抗较小,输出电压外特
性刚度强,对负载变动引起的干扰抑制能力更强㊂
在内环电容电流反馈的基础上,针对同步旋转坐
标系下d㊁q轴分量交叉耦合的问题设计了电压电
流双闭环前馈解耦控制系统,然后提出了一种基
于 模最佳 的设计方法对控制系统的参数进行整
定㊂最后针对特定的逆变器参数设计了控制系统
并进行了仿真分析,内环电流反馈加快了逆变器
的动态调节速度,对线性和非线性负载的扰动同
时具有较强的抑制能力,验证了所提设计方法的
有效性㊂需要指出的是,本文所提设计方法具有
一定的局限性,必须满足外环工作频率远低于内
环的要求,设计完成之后需要检验其完整性㊂由
于电容电流并非全部流过电力电子器件的电流,
无法通过对其限流来保证设备安全运行,下一步
研究应集中于电压外环电容电流内环的设备保护
方向㊂
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