极点配置双闭环控制单相并网逆变器研究
2021-08-27
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研究与开发 极 点配 置双闭环控制单相并网逆变器研究 宋怀祥 (安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南 232001) 摘要 并网逆变器正广泛应用于太阳能和风能等新能源发电领域。在建立单相隔离并网逆 变器数学模型的基础上,使用无源阻尼抑制谐振,并采用带电网电压前馈的电流双闭环控制策 略。分析了无源阻尼的选取对谐振抑制的影响,用极点配置方法设计了调节器参数,并对用电 网电压前馈消除电网电压扰动的原理进行分析,最后给出在阻性负载突变下的仿真和实验波形。 仿真和实验结果表明,并网电流和电网电压基本同频同相。 关键词:隔离并网逆变器;LCL滤波器;极点配置;双闭环;电网电压前馈 The Research of Single Phase Grid-connected Inverter Based on Pole Assignment for Dual Closed-Loop Control SongHuaixiang (Institute of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science&Technology,Huainan,Anhui 23200 1 1 Abstract Grid—connected lnverter 1S widely used in solar and wind energy generation.On the basis of the mathematical model of a single phase isolated grid—connected inverter,the resonance is decreased with passive damping,and current dual closed—loop control strategy with utility voltage feedforward is utilized.The influence of inhibiting resonance with different passive damping is analyed.The regulator parameters is designed with pole assignment method.The utility voltage feedforward principle to eliminate grid voltage disturbances was analyzed.Finally,the resistive load mutation simulation and experimental waveforms are presented.The simulation and experimental results proved that grid—connected current and grid voltage have the same frequency and phase. Key words:isolation of grid--connected inverter;LCL filter;pole assignment;dual closed—-loop; utility voltage feedforward 太阳能、风能等新能源并网发电技术的发展为 解决供电日益紧张问题提供了很好的解决途径,而 并网逆变器作为并网发电技术的核心已经逐渐成为 人们研究的重点[1-2]。由文献 叫可知常在并网逆变 器输出侧用LCL滤波器抑制高次谐波,但由于LCL 滤波器本身存在谐振会对系统的稳定性产生很大影 响,文献 曲1中采用直接在LCL滤波的电容支路串 联电阻的无源阻尼的方法抑制谐振,但会增加系统 控制策略,其中网侧电感电流为外环,电容电流为 内环。采用电流双闭环控制可以提高控制系统的稳 定性,并用极点配置法设计控制器。分析加入电网 电压前馈可使电网扰动对LCL滤波器的影响得以消 除的原因。最后通过仿真和实验验证方案的可行性。 1 隔离并网系统的LCL滤波分析 1.1 单相隔离并网逆变器拓扑结构 损耗,降低效率。另外电网电压的扰动会导致并网 电流的畸变,该问题在文献[ 提出用电网电压前馈 法来解决。 图1所示为单相隔离并网逆变器主电路的拓扑 结构,其中直流侧电压为 。,逆变器侧电感 1的 电流为f1,滤波电容C的电流为 ,网侧电感电流 本文采用一种带有电网电压前馈的电流双闭环 为 ,电网电压为“ d,匝数比为l:l的变压器T 2o13年第5期电气技7lt I 31 研究与开发 使电网与逆变器隔离,可提高安全性。 3 3× 27rfcC 3C√、『 L L1+2 ( … 3) 式中, 为LCL滤波器的谐振频率。 合适的LCL滤波器参数可选为厶=2.0mH, 图1 单相隔离并网逆变器主电路拓扑结构 c=9.5 ,L2=1.0mH,R=l0Q。其中图3为选取不 同阻尼值时Bode图对比。 eD g a r1.2 LCL滤波分析 由图2可得其输出电流 与输入电压“・之间的 传递函数。 鬃蔷 {O “、。 __■ 墨 ;二0 _ 二二二丑二 二二二=羔三二=三二 10 F q e y( ad^K)图2 LCL滤波等效原理图 G( ): :——— 一(1) 1。 {。 “。( )S3厶c + (厶+ ) 2控制策略分析及调节器参数设计 图4为加阻尼后并带电网电压前馈的电流双闭 式中,il, ,f2分别为电感 1的电流、电容C的 电流和电感上2的电流,“i,“ , 。分别为LCL滤波 器的输入电压、电容两端电压和输出电压。由于电 阻 1和 2很小,可以忽略不计。 电容支路串入阻尼电阻 后输出电流f,与输入 电压 之间的传递函数为 Gc 一i2(s):环控制策略的系统等效结构框图,系统采用一种带 电网电压“ 作为前馈,电容支路电流f 作为内环, 网侧电感电流f 作为外环的电流双闭环控制策略。 由于逆变器开关频率电网频率,可将逆变桥等效为 增益环节 wM,其取值为逆变器输入直流电压值, £ff ) 3厶c + (厶十 )Rc+ (厶+ ) (2) ± 并把滤波电容的寄生电阻和滤波电感的电阻忽略。 电容电流内环采用P调节器,网侧电感电流外环采 用PI调节器,可称为双环P.PI控制系统,其中P 调节器可使系统的阻尼系数增加,PI调节器可使输 出电流波形瞬时跟踪给定值。 由图4去掉电网电压干扰加阻尼电阻后的系统 闭环传递函数为 南文献[8]提出的LCL滤波器参数设计方法及 限制条件可知阻尼电阻取值一般为谐振频率处滤波 电容C容抗zc的1/3。所以合适的阻尼电阻值的计 算式为 图4加阻尼并带电网电压前馈的电流双I才-]环控制等效结构框图 :—————— ±竺 (4) ‘, ( ) S4厶c + ( PwM+RCII+ c )+ (R wM+厶+ )+ wM c + )+饿庀P、vM ~ 由(4)式可得电流双闭环控制系统的特征方为 CL]+RCL2 3RCkkpkpwM+L1+L2 2kkpwM(D( ): 4+—L2CkkpwM+RRCki+%)—kkik+——+——+——pwM r 、 .2 LICL2 I_qCL2 L1CL2 … 假设四阶双电流闭环控制系统的期望主导极点 为: 。=一 , 当两者取值越大时则由S ,S ,S3, 四个极点确定 ± 缈√1一缶。式中 , 分别为期 。式中F/1,/'/2是正常数, 的双闭环系统响应特性越接近由主导极点决定的二 阶系统,一般 1,/'/2=5~10都可行,由此得到满足 其系统动态性能要求的期望的双闭环系统特征方程 望的自然频率和阻尼比,期望的非主导极点为 S =一nI ,s =一F/2 32 l电鼍技 2o13年第5期 研究与开发 《谣 鉴*>为 则要考虑P和PI两调节器之问的频带宽度和响应速 Dr )= +24C0r+ ) + 比较(5),(6)两式可得 几) +,22缶 ) (6) ,,、 I,J 度的互相影响与协调问题,调节器设计步骤很复杂, 且需反复试凑验证。而用极点配置的方法设计控制 }一一~(H1+rt2) ̄r03rL1L2一 厶一 2 2 wM 器的参数时,将会使设计过程得到很大简化,能使 其高性能指标得到满足。此设计方法优越性明显。 几D一~ l X J 3 电网电压前馈去扰动分析 电网电压在并网发电系统中可被视为扰动信 号,为了使电网电压干扰作用减弱或消除,需加入 电网电压前馈控制。由图4可推导出带电网电压前 c(( + ) 厶 一R厶一R ) :一 竺!! ± !± ( 1+刀2)Cr rL1L2一尺 1一尺 2 ro、 、 由此可知,式(7),(8),(9)为基于极点配置 设计的双闭环控制系统的P和PI调节器的参数。若 按常规方法设计双闭环控制系统的调节器的参数, 馈时,电网电压对入网电流的扰动影响的传递函数 12( ) 厶c+s ̄C(R4- wM—RG( )kewM)+s(1一 (s)kpwM) u 半载到满载的变化波形,从实验波形可知并网电流 ( ) S4厶c + ( c『触PwM+ c『厶+RCL2)+s (RCkkpkpwM+厶+ )+skkPwM( c + )+足 庀PwM 由式(10)可知,要想克服电网电压对入网电 流的扰动影响,则可令式(10)中的G ( )=l/kpwM, 加入电网电压前馈可大大减少其对进网电流的干 扰,使系统的外特性得到改善。 与电网电压基本同频同相,负载突变后能很快稳定 运行,实验波形与仿真波形基本相同。 4仿真及实验分析 4.1仿真分析 根据分析建立加阻性负载的单相隔离并网逆变 器仿真模型。仿真参数分别为:直流输入电压为 400V,电网电压有效值为220V,电网电压频率为 50Hz,调节器参数分别为k=1.5,kp=0.6,k;=800, 开关频率为10kHz。图5为在阻性负载下逆变器工 作由半载在0-3s时刻突变到满载的变化仿真波形。 由仿真波形可知,入网电流和电网电压同频同相, 图6并网电流从半载到满载变化实验波形 5结论 仿真和实验结果表明,采用基于加阻尼的带电 网电压前馈的电流双闭环控制策略的能使网侧逆变 输出电流很好地与电网电压保持同频同相并实现并 网且无冲击,且在负载突变情况下变化不大。从而 在入网电流突变时能快速响应,突变后能快速恢复 稳定运行。 验证采用的控制策略的正确性与可行性。 参考文献 [1] 基丁PR控制和谐波补偿的三相光伏并网系统[J].可 再生能源,2012,30(1):9—12. 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