变压器动态

一种可再生能源并网逆变器的多谐振PR电流控制技术

  当今社会,化石燃料燃烧造成的环境污染以及非可再生资源的不断消耗所带来的能源危机,使得可再生能源的开发变得非常重要。风能、地热能、燃料电池以及太阳能等新型可再生能源不断兴起,并在分布式发电(distributedgeneration,DG)中占据越来越多的份额。

  可再生能源通过并网逆变器向电网馈能,构成局部微电网,因此并网逆变器技术是可再生能源利用的关键技术之一。并网逆变器一般采用脉宽调制(pulsewidthmodulation,PWM)下的电流源控制,将带有大量高频分量的电流注入电网,影响电网质量。为了滤除高频电流,通常会在逆变器与电网之间加滤波电感。许多提出一种LCL型滤波器,相对于传统L型滤波器,LCL滤波器通过电容支路提供高频旁路,从而使流入电网电流的高频分量大大衰减,被广泛应用于大功率设备。

  派克变换能够将三相正弦输入变成两相直流量,从而可以使用传统的PI调节器进行控制,但是轴下的电流存在强耦合,解耦会使控制方法变得复杂。三相正弦输入在两相静止坐标轴系下仍然是正弦量,因此不能使用PI调节器进行控制。虽然使用PI加电网电压前馈控制可以减小静态误差,但仍然不能完全消除静差,而且由于上下桥臂之间死区的影响,一般逆变器输出都会存在低频谐波,PI调节器无法消除这类谐波。一些能够在指定的频率处提供无穷大的益,从而实现特定频率的无静差控制。如果加在5、7次等处的谐振控制,则可以有针对性地消除这些频率的谐波,显著提高注入电网的电流质量。

  比例谐振控制是多阶系统,特别是多频率谐振,系统的阶数迅速加,再加上LCL滤波器为三阶系统,控制环的设计变得非常复杂。在这种情况下,提出了一种基于根轨迹理论的PR调节器设计方法,该方法根据系统根轨迹的变化选定合适的PR参数,从而保证系统稳定,并提供较好的动态性能。

  本文根据三相并网逆变器的运行特点、LCL滤波器及PR调节器的工作特性,在加入5次谐波谐振环节的基础上,研究在两相静止坐标系下电流环的设计,根据根轨迹理论设计系统的极点分布,选取控制器参数并验证系统的稳定性。最后将该设计方法得到的控制参数应用于搭建的1kW三相并网发电系统为本文研究的基于LCL滤波器的并网逆变器的主电路拓扑。其中。为直流侧电压。IGBT开关管乃一丁6组成三相半桥结构,ig、is和RC组成LCL滤波器。

  两相静止坐标系下基于LCL滤波器的并网逆变器控制策略电路少,系统设计简单,硬件上则可以将LCL滤波器独立出来,便于实现。但由于电流反馈量较少,对控制方法要求较高,且没有电容电流反馈,不能用软件加系统阻尼,必须加入阻尼电阻。

  如所示,直流侧电压由电压调节外环控制,而直流PI调节器的输出则作为两相旋转坐标系下d轴的电流给定,其大小表示系统的有功功率。通过给定g轴电流,可以调节逆变器输出的无功功率,如果要达到单位功率因数,则可将g轴电流给定设为0.在得到勿轴电流给定后,通过反派克变换,可以得到冰轴下的电流给定,该给定值与采样得到的逆变器侧电流相减作为PR调节器的输入,PR调节器的输出经过反克拉克变换后通过空间矢量到电网电压的频率和相位,并提供给派克变换使用。

  1.3开关周期平均模型由所示,根据基尔霍夫电压和电流定律,可以得到如下方程组:其中k相桥臂上管导通Sk=i-1,k相桥臂下管导通联的阻抗;々为第々相;为电网电压;认为逆变器输出点与地之间的电压;为逆变器输出点与电容中点乃之间的电压;f/DD为电容中点乃与地之间的电压。

  根据式(1),消去变量与之后,可得用如下形式:对系统进行开关周期平均,可得这种多谐振的PR调节器在叫处存在谐振峰如所示,为系统提供了很大的益,从而实现对频率为h的交流分量的无静差跟踪。同时由控制理论知识可知,系统开环益越大,则抵抗环内扰动的能力越强,因此,系统对于频率为h的干扰有很强的抵抗能力。

  是连续量;和分别为电网电压和逆变器侧电流的开关周期平均。

  对式(6)应用克拉克变换,得到系统在两相静止坐标系下的开关周期平均模型:根据式(7),可以得到系统在两相静止坐标系下的系统框图(基于平均开关周期模型),如所示。

  由于两相静止坐标系下冲上的电流没有耦合,因此设计时可以只考虑其中一相。由,系统的开环传递函数为理想的PR调节器具有以下形式:Gpr(s)该调节器在交流角频率为h处具有无穷大的增益和180.的相移,而在其他频率处益为0,且相移为0.但在实际使用中,无穷大的益会给系统的稳定性带来不利影响,因此PR调节器经常使一阶惯性环节用来近似逆变器侧电流的采样保持,而延时环节则表示数字控制环节的延时,本文可认为等于数字控制周期。由式(10)可以看出,加入PR调节器后,系统的阶数上升,如果PR调Kp增大节器采用两个谐振频率,则系统阶数达到八阶,需要合理设计PR调节器才能保证系统的稳定。

  为加入调节器后系统的开环波德图和PR调节器的波德图。

  由于三相无中线结构中不存在3次谐波的相电流,因此本文采用了两个谐振频率的PR调节器,一个是基波频率的谐振,用来无静差地跟踪两相静止坐标系下的电流给定;另一个是5次谐波的谐振,用来消除逆变器输出电流中的5次谐波。为了合理地设计控制器参数,本文采用根轨迹理论,通过绘制系统参数变化时的根轨迹图,找到使得系统稳定的参数范围,然后再根据系统根的分布,得到更佳的PR调节器参数。

  2.2PR参数的影响将PR调节器参数作为参变量时系统的根轨迹如所示。其中,(a)、(b)为第I组图,显示队1与尤H变化所产生的根轨迹,0.003图,显示Kp、C5与尤5i变化所产生的根轨迹,实轴(d)的局部放大图PR参数作为参变量时系统根轨迹图0.003  2.3数字控制延时的影响当采用数字控制时,由于数字运算需要时间,因此在系统中是存在延时环节的。由2.1节得到,延时环节通过二阶系统来近似。当加入延时环节作为变量时,系统的根轨迹如所示。其中71=33.33呷,72 =66.67呷。随着延时的加,由LCL滤波器和基波谐振环节产生的极点迅速地向虚轴靠近,而5次谐波谐振环节所产生的极点则不受影响。从图中可以看到,数字延时的加会导致使系统不稳定的参数范围扩大,不利于调节器的配置,甚至不存在稳定的参数配置。侧R增大怒'办增大抑增大加入延时后'变化所产生的根轨迹2.4滤波器参数的影响在实际系统的运行过程中,系统的参数会随着温度的变化而变化,这些变化会对系统的性能产生重要影响,特别是LCL滤波器参数,由于温度的升高以及电流的大,电感、电容以及电阻值都会产生较大的变化,因此需要分析滤波器参数变化对系统闭环极点的影响,以保证系统在运行过程中的鲁棒性。

  为LCL滤波器参数对闭环系统极点的影响。由可知,电阻尺对系统的极点影响更大,随着尺的大,LCL滤波器的阻尼大,系统除5次谐波谐振环节产生的极点外均远离虚轴,且极点的阻尼也随之大。因此A的大有利于系统稳定,同时也有利于消除极点所带来的振荡。

  逆变器侧电感4以及电网侧电感对系统闭环极点的影响相对较小。系统根轨迹变化不明显。但从(b)、(c)仍然可以看出,随着is的大,闭LCL滤波器参数对系统闭环极点的影响环系统的极点有远离虚轴的趋势,系统稳定性强,且极点对应的阻尼大,因此震荡会减小;而的大则使闭环系统的极点靠近虚轴,系统稳定性减弱。同尺一样,ig和4对5次谐波谐振环节产生的极点几乎没有影响。

  2.5参数选取在本系统中,LCL滤波器的设计参照,最终选取的LCL滤波器参数值如表1所示。

  表1 LCL滤波器参数参数取值根据控制理论原理,要使系统稳定,系统的根必须分布于坐标系的左半平面。其次,系统参数设计应该留有一定的裕量,使得LCL滤波器参数发生变化时系统仍能稳定工作。再次,要保证系统能够有效地抑制LCL滤波器的谐振环节,提高输出电流的质量,LCL滤波器所产生的极点应该有足够的阻尼,以便衰减震荡,同时应该让其远离虚轴,减弱对系统的影响。因此本文选择第1对极点的拐点(如(a)中标注)作为系统极点设置,选择合理的。

  同时在保证系统有一定稳定裕量的前提下选择较大的及i,以大基波以及5次谐波处的谐振峰值。

  根据以上原则,最终选定的参数为:昃1选定的系统闭环极点分布为:Pu当逆变器侧电感和网侧电感值在25%之间变化、电阻值在30%之间变化时,系统的极点分布如所示。可见,即使LCL滤波器参数在一定范围内变化,系统都能保持稳定。

  LCL滤波器参数发生变化时系统闭环极点分布为了减轻PR调节器的负担,在系统控制中还引入了电压前馈,如所示和f.该电压前馈和f与电网电压成正比,与直流侧电压成反比得到。调制波由前馈量和及电流环PR调节器输出得到。前馈使得调制过程中PR调节器负担降低,因此在加前馈后,可以提高对直流母线波动的调节速度,加其响应速度。

  3,PR调节器参数如上文所述选定。三相半桥结构由三菱公司PM75CLA120型智能功率模块(intelligentpowermodule,IPM)实现。所有的控制算法,包括直流电压外环、电流PR内环以及PLL都在TI微控制器TMS320F28335中实现。系统的载波频率为15kHz,采用SVPWM调制方式。逆变器交流侧直接与电网相连,直流母线电压设定为650V.流给定从1/3载变到半载以及半载变到1/3载时,电流的动态响应如0所示。

  经过测式,得到不同负载下并网电流的总谐波畸变率(totalharmonicdistortion,THD)值以及5次谐波含量(以基波含量为基准),并与PI加前馈的控制方法进行比较,如1(a)、(b)所示。横坐标P表示功率,纵坐标THD和分别表示总的谐波0电流的动态响应畸变率以及5次谐波的含量。由1(a)可知,PR调节器输出的电网电流THD在全负载内都明显低于PI调节器,而1(b)则显示在整个负载范围内,并网电流中5次谐波的含量也有了大幅下降。

  2为满载条件下电流的谐波分析图,图中(a)并网电流THD(b)并网电流5次谐波相对于基波的百分比1不同功率下电网电流波形THD及5次谐波含量2满载下电流谐波分析给出了低次谐波相对于基波的百分比,其中/代表频率,THA代表各次谐波含量。由2可知,由于5次谐振器的加入,5次谐波己经被抑制到基波的1.6%以下。可见本文所设计的多谐振数字式PR调节器在并网逆变器中对电流质量的提高起到了显著作用。

  4结论本文对基于LCL滤波器的并网逆变器在两相静止坐标系下建立了完整的开关周期平均模型,并针对多谐振PR调节器阶数高、难以设计的问题,应用根轨迹理论,分析PR参数以及LCL滤波器参数对闭环系统极点的影响,选择合适参数,在保证系统稳定的前提下得到更佳的性能。最后搭建了一台10kW并网逆变器样机,应用本文设计方法得到调节器参数进行并网运行,验证了基于根轨迹理论设计多谐振PR调节器的实用性与有效性。