基于电网电压定向的双闭环并网控制策略

基于电网电压定向的双闭环并网控制策略

在单级式并网系统中，由于没有前级，无法实现直流母线电压的稳定，因此需通过并网逆变器实现直流母线电压的控制，故采用电压外环，电流内环的双闭环控制策略。

电压外环的作用是稳定直流母线电压，可通过引入一个PI 调节器实现无静差控制，其给定为MPPT 输出的最大功率点电压。电流内环分为有功电流内环和无功电流内环，分别引入一个PI 调节器控制。有功无功电流的分离可以通过电网电压定向的矢量控制实现，所谓电网电压定向即在同步旋转坐标系下，电网矢量E 与d 轴重合。基于电网电压定向的三相VSI 的输出电流矢量图如图3-4所示，图中，I 为逆变器侧电流矢量，E 为电网矢量，e α、e β 为电网电压矢量E 在静止坐标系下的分量，i α、i β分别为逆变器侧电流矢量I 在静止坐标系下的分量，i d 、i q 分别为逆变器侧电流矢量I 在旋转坐标系下的分量。

α 轴q d 轴e α i α

（静止）

图3-4 基于电网电压定向的三相VSI 的输出电流矢量图

电网电压定向后，有e d =|E |，e q =0 ，结合瞬时功率理论，可得电网有功功率和无功功率的表达式如式(3-4)，从该式可知，若电网电压不变，则可以通过i d 和i q 间接控制并网的有功功率和无功功率。

()()⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

=-==+=q d d q q d d d q q d d 23232

323i e i e i e q i e i e i e p (3-4)

直流侧输入有功功率dc dc u i p =，不考虑逆变器损耗，则根据上式可得式(3-4)。从该式可知，直流侧电压u dc 可通过交流侧电流i d 控制，即电压外环的输出可以

作为有功电流的给定i d *。

d d dc dc 2

3

i e u i p == (3-4)

（1）电流内环的设计

电流内环在dq 静止坐标系下进行设计，在dq 静止坐标系下有以下关系

⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡q d q d q d v v i i R Lp L

L R Lp e e ωω (3-5) 式中，e d 、e q 电网电压E 在d 、q 轴上的分量；i d 、i q 分别为逆变器桥臂侧电流矢量I 在d 、q 轴上的分量；v d 、v q 分别为逆变器桥臂电压矢量V 在d 、q 轴上的分

量；p 为微分算子。

从式(3-5)可以看出，电流在d 、q 轴上的分量是互相耦合的，为实现解耦控制， 采用前馈解耦控制策略。电流内环采用的是PI 调节器，则v d 、v q 的控制方程

q d q *

q I P q ))((e Li i i s

K K v i i +--+

-=ω(3-6) d q d *

d I P d ))((

e Li i i s

K K v i i ++-+

-=ω(3-7) 式中， i d *、i q *分别为电流i d 、i q 的给定值；K i P 为比例增益；K i I 为积分增益。 根据式(3-6)、(3-7)，可以画出如图3-5所示的电流内环控制结构。i d *由电压外环的输出给定，i q *给定值为0，i d 、i q 由两个相同的PI 调节器独立控制。

i

图3-5 电流内环控制结构

根据电流内环的控制结构，可以画出其控制框图，如图3-6。该框图不考虑电网电压扰动，采样保持器用一个小惯性环节)1(1s +s T 代替，T s 为开关管采样周期，逆变器也可以等效为一个小惯性环节，时间常数为采样周期T s 的一半，设逆变器的增益为K PWM ，则逆变器环节可以等效为)15.0(s PWM +s T K 。图中，I P i i i K K =τ。

K

图3-6 电流内环控制框图

电流内环按典型I 型系统设计，令τi =L/R ，并合并小时间常数，则根据图3-6的控制框图，可得电流内环的开环传递函数W oi 为

)

15.1(S PWM

P +=

s T s R K K W i i oi τ(3-8)

按照典型I 型系统最优参数设计原则，令阻尼比ξ=0.707时，可得最优控制效果，此时可得K i P 、K i I 数值

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧===PWM s P I PWM

s P 33K T R K K K T R K i i i i i ττ(3-9) (2)电压外环的设计

在对电压外环进行设计时，需考虑电流内环的影响。根据前面得出的电流内环开环传递函数，在开关周期T s 较小时，可以将其闭环传递函数W ci 简化为式(3-10)，从该式可看出，电流内环相当于一阶惯性环节。 s

T W ci s 311

+=

(3-10)

在稳态时，直流母线电压为U dc ，结合式(3-4)，可以推出直流侧电流i dc 与电流内环输出电流i d 的关系为

d dc

d

dc 23i U e i =

(3-11) 考虑电压外环的采样周期，需在电压外环的控制结构中，加入一小时间常数的惯性环节。这样就可以画出电压外环的控制框图，如图3-7所示。图中，T u 为电压外环采样时间常数；K u P 为电压外环比例增益； τu 积分时间常数，τu =K u P /K u I ，K u I 为积分增益；C 为直流母线侧电容。

i

图3-7 电压外环的控制框图

将电压外环采样时间常数T u 与电流环的惯性环节3T s 合并，可以得到等效时间常数s e 3T T T u u +=。根据图3-7电压外环控制框图，可以得到其开环传递函数为

)

1(2)

1(3e 2

dc d P o ++=

s T Cs U s e K W u u u u u ττ(3-12) 由式3-12可知，电压环为典型II 型系统，设h 为中频带宽，则有

u

u

T h e τ=

(3-13)

d

e dc P 3)

1(e hT h CU K u u +=

(3-14)

当h =5时，可以得到最优控制，此时电压外环的PI 调节器的比例增益和积分增