逆變器電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

逆變器電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計余裕璞;顧煜炯;和學(xué)豪【摘要】逆變器在可再生能源發(fā)電中作為連接能量輸入與輸出負(fù)載的裝置,發(fā)揮著重要作用,采用合適的控制系統(tǒng)可以得到滿足后端電能質(zhì)量需求的電能.針對電壓單環(huán)控制調(diào)整滯后的缺點,補(bǔ)充中間電流反饋環(huán)節(jié)以提高控制系統(tǒng)的工作頻率.比較了電感電流內(nèi)環(huán)與電容電流內(nèi)環(huán)反饋系統(tǒng)的區(qū)別,選取負(fù)載抗擾動性能更強(qiáng)的電容電流反饋系統(tǒng),該控制方案對一般及整流性負(fù)載的干擾同時具有較強(qiáng)的平抑能力.針對輸出電壓及電感電流在數(shù)學(xué)模型上的交叉耦合作用,通過耦合信號前饋削弱其對控制系統(tǒng)的影響.提出一種基于“模最佳”的整定方法,對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計,最終利用仿真驗證了所提設(shè)計方案的有效性.期刊名稱】《電力科學(xué)與工程》年(卷),期】2019(035)003【總頁數(shù)】7頁(P1-7)【關(guān)鍵詞】逆變器;雙閉環(huán)控制;前饋解耦;模最佳【作者】余裕璞;顧煜炯;和學(xué)豪【作者單位】華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院,北京102206;華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院,北京102206;華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院,北京102206【正文語種】中文中圖分類】TM7120引言可再生能源在能源安全、能源總量、能源可靠性、環(huán)境無污染等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)化石能源［1~3］。微電網(wǎng)技術(shù)是利用可再生能源的主要方式之一［4~6］,“就地采集、就地使用”減少了中間環(huán)節(jié)的損耗，提高能量利用率。逆變器是微電網(wǎng)中用于電能轉(zhuǎn)換的主要裝置［7］，保證微網(wǎng)運行可靠性。逆變器的控制方案不局限于一種［8,9］，主要根據(jù)其運行目標(biāo)確定。在離網(wǎng)運行方式下其運行目標(biāo)是維持母線電壓和頻率的恒定，保證負(fù)荷的電能質(zhì)量需求,并網(wǎng)模式下運行一般要求輸出給定的有功和無功［10］。逆變器控制早期采用輸出電壓瞬時值反饋的單環(huán)控制，可以在一定程度上抑制負(fù)載的擾動，調(diào)節(jié)輸出電壓的波形，但是負(fù)載發(fā)生較大變化時輸出電壓畸變嚴(yán)重，其動態(tài)響應(yīng)慢導(dǎo)致電壓畸變調(diào)整時間長，不利于負(fù)載的正常工作。文獻(xiàn)［11,12］指出單電壓環(huán)控制在開關(guān)頻率較低、濾波電容較小的情況下系統(tǒng)動態(tài)性能與雙環(huán)控制差別不大，同時單電壓環(huán)控制具有更強(qiáng)的負(fù)載擾動抑制能力，但開關(guān)頻率太低可能使輸出電壓的低次諧波含量升高。提高逆變器的響應(yīng)速度，可以采用基于工業(yè)串級控制思想的雙環(huán)控制系統(tǒng)［13，14］，即在目標(biāo)電壓環(huán)的內(nèi)部，增加變化較快的電流量作為反饋變量以提高控制系統(tǒng)的工作頻率。目前應(yīng)用較為廣泛的電流控制方法主要是模型預(yù)測控制［15，16］，滯環(huán)控制［17］及正弦脈寬調(diào)制(SinusoidalPulseWidthModulation,SPWM)控制［18］。模型預(yù)測控制效果取決于被控對象數(shù)學(xué)模型的精確程度，而電路參數(shù)隨工作狀態(tài)、線路老化等有所變化，因此其魯棒性較差［19］。滯環(huán)控制響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性高，但是其開關(guān)頻率不固定，諧波頻譜變化范圍寬，不利于輸出濾波器設(shè)計［20］。相對而言，SPWM控制可以兼顧擾動下的魯棒性及動態(tài)響應(yīng)特性，同時具有控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點。本文詳細(xì)地闡述了逆變器電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計流程。采用SPWM方法對內(nèi)環(huán)電流進(jìn)行控制，從逆變器輸出阻抗角度比較了不同反饋變量的優(yōu)劣，然后針對同步坐標(biāo)系下電壓外環(huán)電容電流內(nèi)環(huán)的d、q軸分量耦合特性設(shè)計了解耦方案，基于“模最佳”的方法設(shè)計了電壓電流調(diào)節(jié)器，最后利用PSCAD/EMTDC仿真檢驗了所提設(shè)計方案的有效性。三相逆變器數(shù)學(xué)模型三相全橋逆變器電路結(jié)構(gòu)，如圖1所示。直流側(cè)一般接有平滑可再生能源出力波動的儲能系統(tǒng)，可連同電容一起看成穩(wěn)定電壓源。直流側(cè)電壓通過電容濾波后，由全控電力電子器件轉(zhuǎn)換為三相交流電，經(jīng)LC濾波器濾波后供負(fù)載使用。逆變器采用正弦脈寬調(diào)制策略。考慮三相平衡情況，濾波器參數(shù)相同，電容值為C，電感值為L。圖1三相全橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)每相的電壓平衡有：(1)式中：Uik(k二a,b,c)表示逆變器相電壓，Uok(k二a,b,c)表示電容兩端電壓，也為負(fù)載相電壓，iLk(k=a,b,c)表示濾波電感電流。電容電流可用負(fù)載電壓表示如下：(2)式中：iCk(k=a,b,c)表示濾波電容電流。靜止坐標(biāo)系下的電壓電流均為正弦交變量，為方便控制系統(tǒng)設(shè)計，可通過abc-dq坐標(biāo)變換將靜止坐標(biāo)系下的交變量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的恒定量。dq坐標(biāo)系的選擇與數(shù)學(xué)模型有關(guān)，這里選擇旋轉(zhuǎn)電壓相量初始時刻和d軸重合，并且d軸領(lǐng)先q軸90°。根據(jù)(1)式：(3)(4)根據(jù)(2)式：(5)(6)因此dq坐標(biāo)系下逆變器數(shù)學(xué)模型可用圖2表示如下，其中虛線表示d、q軸分量之間的交叉耦合作用。圖2旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下逆變器數(shù)學(xué)模型內(nèi)環(huán)電流控制分析電壓外環(huán)控制系統(tǒng)的工作頻率低，響應(yīng)速度慢，若以變化較快的電流為反饋變量可有效加快控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。內(nèi)環(huán)電流反饋量可選擇電感電流［21，22］或者電容電流［23，24］。其控制結(jié)構(gòu)分別如圖3、圖4所示。圖3電感電流內(nèi)環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)圖4電容電流內(nèi)環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)電壓外環(huán)輸出量作為內(nèi)環(huán)控制量的給定值，誤差經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器處理后與載波交截，所得SPWM控制信號控制開關(guān)管的通斷。采用電感電流反饋時，由于電感電流就是通過開關(guān)管的電流，對其限幅就可以達(dá)到開關(guān)管的限流保護(hù)作用。同時電感電流包含了流過負(fù)載的電流，控制了電感電流同時，也限制了負(fù)載電流的變化，負(fù)載擾動較大時，控制系統(tǒng)限制負(fù)載電流的變化，導(dǎo)致波形的畸變，這種畸變在帶整流類負(fù)載時尤為嚴(yán)重。為了削弱負(fù)載電流變化對控制效果的影響，可以在控制系統(tǒng)中加入負(fù)載電流前饋［25］，若前饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)為1，則相當(dāng)于電容電流反饋控制。文獻(xiàn)［26］從控制結(jié)構(gòu)上對兩種控制方式進(jìn)行了比較，但未能對問題的本質(zhì)進(jìn)行分析對比以上結(jié)構(gòu)可以看出，兩種控制系統(tǒng)的差別主要在于電流內(nèi)環(huán)是否包含負(fù)載電流的擾動，而這主要影響輸出電壓的抗負(fù)載擾動性能，因此從平抑負(fù)載電流擾動上可比較二者的控制效果。逆變器的輸出阻抗可以衡量其外特性的剛度，反映負(fù)載電流變化對其兩端電壓的影響，輸出阻抗越小，表明負(fù)載變化對輸出負(fù)載電壓的影響越小，系統(tǒng)抗擾動性能越強(qiáng)。定義逆變器的輸出阻抗為負(fù)載電壓與負(fù)載電流之比。顯然，不同頻率的電流對應(yīng)逆變器的不同阻抗。根據(jù)圖3圖4的內(nèi)環(huán)電流控制圖可以得到以io為輸入，Uo為輸出的傳遞函數(shù)，即輸出阻抗，將電流調(diào)節(jié)器簡化為比值K進(jìn)行分析。內(nèi)環(huán)反饋變量為電感電流時輸出阻抗為：(7)內(nèi)環(huán)反饋變量為電容電流時輸出阻抗為：(8)相同參數(shù)下繪制式(7)、式(8)幅頻曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，兩種控制系統(tǒng)在高頻段性能相同，但以電容電流為內(nèi)環(huán)反饋變量的輸出阻抗幅頻特性曲線在低頻段具有更低的值，逆變器輸出電壓對負(fù)載變化較不敏感，因此中間反饋變量采用電容電流的控制系統(tǒng)對負(fù)載的擾動具有更強(qiáng)的抑制能力。從控制結(jié)構(gòu)上看，電容電流內(nèi)環(huán)包含了負(fù)載擾動，而內(nèi)環(huán)的工作頻率高于電壓環(huán)，可在其影響到輸出電壓之前抑制較大部分?jǐn)_動，電流環(huán)“粗調(diào)”后再由電壓環(huán)“細(xì)調(diào)”，加速動態(tài)響應(yīng)的同時保證輸出交流電的電能質(zhì)量。圖5輸出阻抗幅頻特性曲線雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計電壓外環(huán)的主要目標(biāo)是控制輸出電壓的穩(wěn)定，屬于定值控制系統(tǒng)，使電壓維持在一定范圍內(nèi)，電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)采用無誤差的PI調(diào)節(jié)器；而電流內(nèi)環(huán)的主要作用是加速控制系統(tǒng)的響應(yīng)，屬于隨動控制系統(tǒng)，對電流量沒有控制精度的要求，因此電流調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)器。圖2中虛線代表了d、q軸分量相互的耦合關(guān)系，d、q分量的耦合不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計，為了讓d軸給定量控制d軸分量，q軸給定量控制q軸分量，通過耦合信號前饋弱化來自數(shù)學(xué)模型中分量之間的耦合關(guān)系，以d軸為例，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6前饋解耦控制系統(tǒng)原旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d、q分量耦合的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過解耦轉(zhuǎn)變?yōu)閮上嗷ゲ桓蓴_的數(shù)學(xué)模型，兩相的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，可任取一相完成控制系統(tǒng)設(shè)計。以d軸為例，解耦之后的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7解耦之后d軸分量控制系統(tǒng)雙環(huán)控制系統(tǒng)參數(shù)整定采用先局部后整體的方式，先整定內(nèi)環(huán)參數(shù)，然后做全局校正，設(shè)計過程中須做適當(dāng)簡化：由于輸出電壓Uod是電容電流積分的結(jié)果，響應(yīng)較慢，對于電容電流內(nèi)環(huán)來講，輸出電壓是一個變化緩慢的擾動，而且電流內(nèi)環(huán)的工作頻率高，電流值更新快，電壓外環(huán)工作頻率低，電壓值更新慢，在進(jìn)行內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計時可暫時忽略輸出電壓的擾動對電容電流內(nèi)環(huán)控制的影響；另一方面，SPWM環(huán)節(jié)存在一定的慣性，可將其簡化為一階慣性環(huán)節(jié)，從而得到簡化之后的內(nèi)環(huán)電流的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。圖8電容電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)其開環(huán)傳遞函數(shù)為：式中：P為比例控制系數(shù)。這是一個典型I型系統(tǒng)，隨動性好，具有較強(qiáng)跟蹤給定值的能力?？砂醋罴讯A系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)參數(shù)，其最佳條件為阻尼比由此可得：(10)對電壓外環(huán)來講，內(nèi)環(huán)電流的工作頻率較高，一般認(rèn)為，電流閉環(huán)頻率特性的截止頻率3bi與電壓外環(huán)閉環(huán)頻率特性的截止頻率3bu滿足wbi>3wbu時，即可認(rèn)為在內(nèi)環(huán)電流的動態(tài)過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于外環(huán)電壓的動態(tài)過程，因此電流內(nèi)環(huán)可看成一個簡單隨動系統(tǒng)，將其簡化為一階慣性環(huán)節(jié)。電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：(11)簡化后為：(12)式中：TC二L/PKPWM。內(nèi)環(huán)簡化后的電壓控制結(jié)構(gòu)如圖9所示：圖9電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)電壓控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：(13)式中：KP為PI調(diào)節(jié)器比例控制系數(shù)；TI表示PI調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù)。這是一個典型II型系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的抗擾動性能，調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計考慮“模最佳”條件：閉環(huán)傳遞函數(shù)的模為1，即穩(wěn)態(tài)誤差為0；相位滯后為0，即動態(tài)響應(yīng)速度無窮大由于三階系統(tǒng)不可能沒有慣性，其相位必定有所滯后；另一方面，電壓環(huán)的控制目標(biāo)主要是維持輸出電壓的穩(wěn)定，要求具有較強(qiáng)的抗擾動性能，所以這里只考慮系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的要求。該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：（14）其幅頻特性A（3）如下：A（3）=令A(yù)（3）=1,顯然TI=O時成立，但PI控制器中的KP、TI均不為0。但也為上式的求解提供了方向，當(dāng)TI趨于0時，可將幅值條件簡化如下：分子部分（KPTI3）2+1-1,則分母也為1,分母為3多項式，忽略高階項，由各項系數(shù)為0得：（15）因此可得外環(huán)電壓PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)如下：算例分析在PSCAD/EMTDC中搭建逆變器模型，并針對表1中的逆變器參數(shù)進(jìn)行電壓外環(huán)電容電流內(nèi)環(huán)的控制系統(tǒng)設(shè)計，計算可得電流內(nèi)環(huán)比例控制P=18，電壓外環(huán)比例系數(shù)KP=0.04，積分時間常數(shù)TI=0.01,低頻段（KPTI021滿足要求。3bi=3.85x104rad/s,wbu=8.49x103rad/s滿足wbi>3wbu的要求。表1逆變器額定參數(shù)項目數(shù)值額定輸出電壓220V額定輸出頻率50Hz輸出濾波電容8pF輸出濾波電感3.6mHPWM開關(guān)頻率20kHz圖10負(fù)載電流幅值變化曲線圖11負(fù)載電壓變化曲線逆變器初始負(fù)載為22A,0.5s之前為啟動的暫態(tài)過程。1s時負(fù)載增加22A,1.5s時負(fù)載降為初始值，2s時接入2.5kW的整流負(fù)載，整個過程a相負(fù)載電流及電壓變化曲線分別如圖9、10所示。從圖中可以看出系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，負(fù)載突然投切時控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，且超調(diào)量很小，僅有6%。帶一般負(fù)載時，輸出負(fù)載電壓穩(wěn)定，電路暫態(tài)很短，負(fù)載電流的大幅擾動對輸出電壓的波形基本沒有影響；突增非線性負(fù)載時，輸出電壓有一定的超調(diào)量，但超調(diào)量僅僅持續(xù)了0.8ms，然后恢復(fù)正常，逆變器具有較硬外特性，內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)采用電容電流反饋對由負(fù)載擾動而引起電壓波動的抑制能力較強(qiáng)。圖12升負(fù)載時電流變化暫態(tài)過程圖13降負(fù)載時電流暫態(tài)過程圖14帶非線性負(fù)載時電流暫態(tài)過程如圖12~圖14所示為負(fù)載變化時逆變器輸出電流的暫態(tài)過程，調(diào)節(jié)時間很短，在1ms內(nèi)基本結(jié)束暫態(tài)暫態(tài)過程。帶一般性負(fù)載時，暫態(tài)過程變化平緩，波形平滑，沒有高頻振蕩分量，控制效果好；穩(wěn)態(tài)時的負(fù)載電流經(jīng)傅立葉分析得出其電流諧波總含量THD=0.7%(TotalHarmonicDistortion,THD)。帶整流性負(fù)載時，負(fù)載電流THD=2.3%，均滿足電流諧波總量小于5%的要求，控制系統(tǒng)提升了逆變器承擔(dān)非線性負(fù)載的能力。結(jié)論本文比較了雙閉環(huán)控制中內(nèi)環(huán)不同反饋變量的控制系統(tǒng)，其中采用電容電流反饋控制系統(tǒng)的逆變器在低頻段的輸出阻抗較小，輸出電壓外特性剛度強(qiáng)，對負(fù)載變動引起的干擾抑制能力更強(qiáng)。在內(nèi)環(huán)電容電流反饋的基礎(chǔ)上，針對同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d、q軸分量交叉耦合的問題設(shè)計了電壓電流雙閉環(huán)前饋解耦控制系統(tǒng)，然后提出了一種基于“模最佳”的設(shè)計方法對控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行整定。最后針對特定的逆變器參數(shù)設(shè)計了控制系統(tǒng)并進(jìn)行了仿真分析，內(nèi)環(huán)電流反饋加快了逆變器的動態(tài)調(diào)節(jié)速度，對線性和非線性負(fù)載的擾動同時具有較強(qiáng)的抑制能力，驗證了所提設(shè)計方法的有效性。需要指出的是，本文所提設(shè)計方法具有一定的局限性，必須滿足外環(huán)工作頻率遠(yuǎn)低于內(nèi)環(huán)的要求，設(shè)計完成之后需要檢驗其完整性。由于電容電流并非全部流過電力電子器件的電流，無法通過對其限流來保證設(shè)備安全運行，下一步研究應(yīng)集中于電壓外環(huán)電容電流內(nèi)環(huán)的設(shè)備保護(hù)方向?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】ZHAOXU,LUODONGKUN.DrivingforceofrisingrenewableenergyinChina:environment,regulationandemployment[J].Renewable&SustainableEnergyReviews,2017(68):48-56.WANGBING,WANGQIAN,WEIYIMING,etal.RoleofrenewableenergyinChina'senergysecurityandclimatechangemitigation:anindexdecompositionanalysis[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2018(90):187-194.JIAXIAOPING,LIZHIWEI,WANGFANG,etal.Multi-dimensionalpinchanalysisforsustainablepowergenerationsectorplanninginChina[J].JournalofCleanerProduction,2016(112):2756-2771.WANGCHENGSHAN,YANGXIANSHEN,WUZHEN,etal.Ahighlyintegratedandreconfigurablemicrogridtestedwithhybriddistributedenergysources[J].IEEETransactionsonSmartGrid,2016,7(1):451-459.MARIAML,BASUM,CONLONMF.Microgrid:architecture,policyandfuturetrends[J].Renewable&SustainableEnergyReviews,2016(64):477-489PARHIZIS,LOTFIH,KHODAEIA,etal.Stateoftheartinresearchonmicrogrids:areview[J].IEEEAccess,2015,3:890-925.PLANASE,ANDREUJ,GI,RATEJI,etal.ACandDCtechnologyinmicrogrids:areview[J].Renewable&SustainableEnergyReviews,2015(43):726-749.曾正，李輝，冉立?交流微電網(wǎng)逆變器控制策略述評[J].電力系統(tǒng)自動化,2016,40(9):142-151.BOUZIDAM,GUERREROJM,CHERITIA,etal.Asurveyoncontrolofelectricpowerdistributedgenerationsystemsformicrogridapplications[J].Renewable&SustainableEnergyReviews,2015,44(C):751-766.王成山，李琰，彭克?分布式電源并網(wǎng)逆變器典型控制方法綜述[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2012,24(2):12-20.黃偉煌，付勛波,林資旭，等.LC濾波電壓源型逆變器閉環(huán)控制策略綜合對比與設(shè)計J].電力系統(tǒng)自動化,2013,37(19):110-115.黃偉煌，胡書舉,林資旭，等.一種采用相位超前校正技術(shù)的電壓源逆變器單環(huán)控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2013,33(30):18-25.邊立秀.熱工控制系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社,2002.林巍,王亞剛.串級控制系統(tǒng)閉環(huán)辨識及PID參數(shù)整定[J].控制工程,2018,25⑴:11-18.王庚,楊明,牛里,等.永磁同步電機(jī)電流預(yù)測控制電流靜差消除算法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2015(10)：2544-25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