逆变器电压电流双环控制设计及研究
2022-01-09
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第31卷第2期 2015年4月 上海电 力 学 院 学报 Vo1.31.No.2 Apr. 2015 Journal of Shanghai University of Electric Power DOI:10.3969/j.issn.1006—4729.2015.02.006 逆变器电压电流双环控制设计及研究 孙静,曹炜,苏虎,杨道培 200090) (上海电力学院电气工程学院,上海摘要:在三相逆变器系统中,设计了电流内环、电压外环PI—PI控制器.根据逆变器及其控制系统的结构建立 了双环控制系统简化数学模型,确定了传递函数.引入工程算法设计了电流内环,用bode图、阶跃响应优化了 电流内环和电压外环的设计参数.将PI—PI控制系统置于Matlab/Simulink中进行时域仿真,对比分析了该控 制系统与P—PI控制系统的性能.结果表明,所设计的PI—PI控制系统提高了逆变器系统稳态性能,改善了电压 质量,限制了短路电流大小. 关键词:PI—PI控制;工程算法;bode图;阶跃响应;电压质量;过流限制 中图分类号:TM464;TM933.4 文献标志码:A 文章编号:1006—4729(2015)02—0121—06 Design and Research of Voltage and Current Dual-loop Control for Inverters SUN Jing,CAO Wei,SU Hu,YANG Daopei (School of Electrical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China) Abstract:The PI controller is used in both inner current loop and outer voltage loop in the three—phase inverter system.On the basis of structure of inverter and its control system,diagram and transfer function of the dual—loop controller are deduced.The inner current loop is designed with engineering algorithm and the outer voltage loop and inner current loop are optimized with both bode diagram and step response.The performances of previously designed dual—loop controller is verified by time domain simulation of the whole system on the platform of Matlab/simulink compared with the P—PI controller at the salYle system scheme.The simulation results show the designed dual-loop PI—PI controller not only enhances steady state performance of the system,but also improves the voltage quality and limits the current. Key words:PI—PI controllers;engineering algorithm;bode diagram;step response;voltage quality;current limiting 微网通常使用可再生能源以及能够提高能源 转换为工频交流后再接人微网,并对其输出电压、 利用效率的燃气冷热电三联供发电.为使微网具有 更好的控制性能,微网中也普遍配置储能装置.上 述装置通常使用逆变器将直流或其他频率的交流 收稿日期:2014—09—24 电流波形有较高要求.高质量的波形要求逆变器系 统在保证稳态性能的同时,还要保证总谐波畸变率 (即THD)尽可能的低.许多文献都采用电流P和 通讯作者简介:孙静(1987一),女,在读硕士,山东烟台人.主要研究方向为微电网控制.E—mail:sunjing@163.com. 基金项目:国家863高技术基金(2011AA05A106). 122 上海电力学院学报 2015拄 电压PI的双环控制策略,但是此控制策略不能减 小电流的稳态误差,THD相对较大,而且当系统出 L=3 mh,C=1 500 F,保证滤波电感上的压降不 超过系统电压的3%. “ 本文重点探讨电压电流双环控制模块的设计 和参数设置. 现大扰动或者短路情况时起不到限流的作用.El-2] 文献[1]基于状态空间理论提出了一种新的电流 PI和电压PI的双环控制策略(即PI—PI);文献[3] 对双PI控制系统直接离散化后利用极点配置的方 2 电压电流双环控制模块设计 对于整个逆变电源系统,控制系统与主电路 同样重要,只有这两部分相互配合,共同正常工 法设置了控制系统参数,分析了在空载、满载、过载 时PI—PI控制的时间响应;文献[4]基于状态空间 算法在单相逆变器下对比分析了P—PI控制策略与 PI-PI控制策略的THD和电流峰值. 本文首先对三相对称逆变器系统进行d—q轴 完全解耦,然后将工程方法与bode图相结合,设 计分析了PI—PI控制器的各个参数,使等效输出 阻抗成感性. 刮时域仿真结果验证了该设计在负 荷变动时能够保证系统的电压、总谐波畸变率在 要求的范围内,从而改善了电压质量,提高了系统 的稳态性能.此外,当微网系统发生短路时也能有 效地控制短路电流. 1逆变器及其控制系统 本文采用三相逆变器,其原理如图1所示,主 要包括空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)模块、LC滤波器、双 环控制模块等. 注:L一滤波电感;c-_滤波电容;R 一负荷; 一负载电压; f。d一负载电流; 一d轴参考电压; —q轴参考 电压. 图1逆变器及其控制系统示意 SVPWM算法简单且适合数字化实现,可以 减少逆变器输出电压的谐波,提高对电压源逆变 器直流供电电源的利用率. 逆变器的输出电压会在开关频率处产生谐 波,需要采用滤波器加以滤除.滤波器参数选为 作,才能构成高性能的逆变系统,输出较高质量的 波形.本文的电压电流双环控制系统采用PI—PI 控制器,利用工程设计方法与bode图及阶跃响应 曲线相结合的方式,对控制系统的参数进行设计. 2.1双环解耦设计 本文所研究的abc三相逆变器数学模型是多 输入多输出系统,为了有效调节逆变器输出的有功 功率和无功功率,需要引入坐标变换,将abc三相 模型转换到两相d—q坐标系下,但电压、电流在d 轴和q轴问存在严重耦合.在电流解耦时,文献 [12]和文献[13]经过分析计算,将d轴的电感电 流耦合量{。 础叠加到q轴的电压上,以消除控制 对象中d轴电感电流对q轴电压的影响;在电压解 耦时,采用的是完全解耦法,_l 即将“ ∞c乘上一 个控制量Q( ), (其中Q( )满足Q(s)/(Ls+ r)=1),以消除控制对象中d轴电压对q轴电流的 影响.由于d轴和q轴是对称的,q轴的电压、电流 对d轴电流、电压的影响亦用此方法解耦. 2.2双环控制参数的设计 电压电流双环控制均采用PI—PI控制器,如果 按常规方法设计其参数,需考虑两个控制器之间的 响应速度、频带宽度的相互影响与协调等,控制器 设计步骤复杂,还需要反复试凑验证.因此,本文的 电流内环采用工程设计方法以降低计算的复杂性, 电压外环采用频域bode图与阶跃响应相结合的方 法以减少实验过程中反复试凑验证的次数. 2.2.1工程设计算法原理 工程设计算法一般是用系统的开环传递函数 来确定闭环系统的参数,使闭环系统具有良好的 稳定性.一般来说,控制系统的开环传递函数为: 几( , +1) G( )=— ——一 (1) 兀( +1) 孙静,等:逆变器电压电流双环控制设计及研究 式中:卜开环增益; 图2的开环的传递函数模型可表示为: f,卜时间常数; 分母中的 ——该系统在原点处有r重极点, G( ) \K ip ㈩ (5) : 根据r=0,1,2,3…的不同数 值,分别称作0型、1型、2型、3 式中: 。——PI中的积分系数; 型……系统,为了保证稳定性 K——PI中的比例系数; 和较好的稳态精度,多用1型 ——调制开关周期; 和2型系统. Dc——直流侧电压; 典型1型系统的传递函数为: ——sVPwM等效增益. G( ) (2) 式(2)中有两个参数:开环增益 和时间常 数 , 是系统固有的,所以只要调节 ,就可以调 整系统的超调量与动态响应,一般取K=0.5.¨ 典型2型系统的传递函数为: 注: ~/(1.5Ls+1)一sⅥ’wM的等效模块;【 /2一逆变器 模块;墨+(‰/ )~电流环模块;1/厶,1/c 一滤波环节. G㈤= (3) S (』 S +l J 图2电流环简化模型 引入中间变量h: 由式(3)对比式(5)可知,电流内环的传递函 h=号 (4) 数为2型.进一步对比式(3)和式(5),并且引入 式(4)可得: 式中:Jfz——伯德图一20 db/dec的中频段的宽度. : 由工程经验数据可知,h的取值应在2~10, (6) 2 当h变大时,系统的超调量会减少,但响应速度也 Ki : 2L K (7) 会相应降低.如果既要保证系统的超调不会很大, 又保证系统的快速性,可取h=5左右. Ki= K。 (8) 2.2.2电流内环设计 由于h,Ts,L,UDC, , 均为已知,将这些 很多文献中电流环都采用P控制器,但该控 已知参数代入式(6)、式(7)和式(8),即可确定电 制器电流环存在稳态误差,而且在短路时起不到 流环PI控制的积分系数 。和比例系数K,但由 限流的作用.本文的电流环采用PI控制器,使其 于采用了经验数据,且在系统传递函数的计算过 在保证响应速度、提高电流环控制精度的同时,在 程中存在简化环节,因此在后续仿真中需要对参 短路时还能起到限流的作用. 数进行优化和系统性能校核. d轴和q轴进行完全解耦后,两轴均为对称 2.2.3电压外环设计 的.将图1中逆变器、LC滤波器、SVPWM模块、 本文的电压环采用的是PI控制器,使逆变器 电流环进行等效简化,d轴简化后的控制原理框 输出电压为设定值.将图1中逆变器、LC滤波器、 图如图2所示.根据对称原理,相应的q轴原理图 SVPWM模块、电流环、电压环进行等效,则电压 与其相仿. 环的模型框图如图3所示. 中I. 1 0.5 +l L竺 iL a Cs Ua 注: +(K p/ )一电压环的PI控制器; p~电压环PI控制器的积分系数; 一电压环中PI控制器的 比例系数; 一电感电流;u 一参考电压. 图3电压电流环控制示意 上海电力学院学报 图3电压环的闭环传递函数为: =一Z( )iLd+K1 (9) 其中 / 的电压增益系数为: 1 K1=÷ (10) 式中: A=LCT,s +2LCs4+( Dc wm C+ ) + ( wm c+ + wm K)s + ( K+ wm Iq) + (11) Ud/iLa的等效输出阻抗为: Z( )=昔f d (12) 式中: B=LCT ̄s +2LCs +( Dc lqC+ )S。+ ( KiC+ + Kv) + ( uDc p + Dc墨)S+ p 【,Dc pK p (13) C= +2Ls + E,DcKiS + cIqpS (14) 式(9)中的电压增益系数 体现了系统对 电压设定值 的跟踪性能,等效输出阻抗Z(S) 体现了电流对控制系统输出扰动特性. 3 PI-PI控制系统参数优化 虽然根据上述方法可以对双环控制器的参数 进行理论计算设置,但还需要对控制器的动态性 能进行多方面的考察,以使控制器达到更好的性 能水平.本文对系统的参数设置如下:直流侧电压 为500 V;滤波电感 为3 mH;电容c为 1 500 ,SVPWM等效增益 为1,调制开关 周期 为2×10~S. 3.1 电流环参数的优化 将上述系统参数代入式(6)、式(7)和式(8), 即可确定电流环参数Ki。=16,Ki=12.为了进行 电流环参数的优化,当gi。=16,/q取不同数值 时,电流环性能数据如表1所示. 仿真结果表明,当Ki。=16,Ki分别取不同的 数值时,相位裕量的取值范围为17—35,穿越频 率的取值范围为10 一10 。。,超调量的取值范围 为13%一16.5%,响应时间为0.6×10~~1.5× 10一S.综合考虑后,选取Ki。=16,Ki=20作为电 流内环的参数,这样既可以提高响应速度,又可以 保证系统的稳态性能. 表1 电流环动态性能数据 3.2 电压环参数的优化 根据电流内环优化参数Ki :16, =20及 式(12)、式(13)和式(14),通过阶跃响应曲线及 其bode图确定参数 和 ,仿真结果如图4所 示. 0加∞∞踟∞ 一 一 一 一 1 0 一 一1 帅 ,/S a p=7时不NKv的阶跃响应 兽 \ 磐 一 \ 趟 _,/(tad・S- ) b Kv=15时不同 的bode ̄ 图4电压环动态性能 图4a表明,当Kv=2, 。=7时系统的震荡、 超调都很大,系统响应速度慢;但当 ≥15, =7时系统的超调降低,响应速度变快,因此系 统的 应取大于等于l5的数值.此外,当K 。>17 时,bode图在50 Hz时等效输出阻抗接近感性. 经过不断试验验证,当/Cv=15,Kv。=7时,系统达 到最佳状态,超调量<15%,此时稳态性能好,响 应速度快. 孙静,等:逆变器电压电流双环控制设计及研究 表2 THD及稳态电压对比 4 逆变器供电系统性能时域仿真 验证 4.1 系统稳态性能和电压质量仿真 分别将电压电流双环PI—PI控制器和P—PI控 制器置于用Matlab/Simulink搭建的图1所示逆变 器供电系统中,分别在额定负荷(30 kW)、突加无 功负荷、有功负荷、综合负荷4种情况下,分析系统 的稳态性能与电压质量.PI—PI控制系统与P.PI控 制系统的d轴和q轴参考电压分别为:%=220 4.2自限流功能 V, =0 V;PI.PI系统双环控制参数为: =16, Ki=20,Kv=15, 。=7;P—PI系统的双环控制参数 为:K:5, =10.仿真结果如表2所示. 由表2可知,PI—PI系统比P—PI系统的稳态性 能更好,电压质量也更高. 当负荷突然加大或者出现短路情况时,在PI. PI双环控制器加入限幅环节后能起到限流作用, 保证换流装置不被损坏,其对应框图如图5所示. P・PI控制器即使在对应位置加入限幅环节也不具 加 m 有此功能,仿真结果对比如图6所示. O O O O O O O O m:2 图5加入限幅环节的双环控制 f/S f/S a PI.PI系统A相电流仿真 图6自限流功能对比情况 b P.PI系统A相电流仿真 图6a为在0.1 S时系统短路,PI—PI系统加 人限幅环节和无限幅环节,在短路的瞬间都出 合的方式,快速地确定了PI—PI控制器参数. (2)分别对电压电流双环PI—PI控制器和 现很大的电流,但加入限幅环节后能非常快地 P-PI控制器构成的逆变器供电系统用Matlab/ 将电流限定在规定的范围内(允许的最大电流 值为100 A);而图6b显示在0.1 S时系统短路, 即使加入限幅环节,P—PI双环控制下的输出稳 态电流也远超限定电流100 A,幅值约在200 A. Simulink进行了时域仿真验证,仿真结果表明, PI—PI控制系统减少了电压误差,降低了逆变器 输出电压的THD,而且该系统还具有限流功 能,当出现大电流时能将电流值稳定在规定的 范围内,保护逆变器的供电系统不被损坏.由 此表明,PI-PI控制系统的性能优于P—PI控制 系统. 5 结 论 (1)利用工程算法与bode图、阶跃响应相结 126 上海电力学院学报 2015钷 参考文献: [1] 彭力.基于状态空间理论的PWM逆变电源控制技术研究 [9] 杨淑英,张兴,张崇巍.基于下垂特性的逆变器并联技术研 究[J].电工电能新技术,2006(2):344O. [D].武汉:华中科技大学,2004. [2]张淳.含逆变型分布式电源的微网控制策略研究[D].杭 州:浙江大学,2013. [10] 艾欣,金鹏,孙英云,等.一种改进的微电网无功控制策略 [J].电力系统保护与控制,2013,41(7):147—155. 杨秀,藏海洋,宗翔,等.微电网分散协调控制策略设计与 仿真[J].华东电力,2011(11):24-30. [3] 王淑慧,彭力.基于状态空间的溯逆变器的数字双环控制 方法研究[J].电力电子,2008(5):44-5O. [12] 胡媛嫒.三相三线逆变器数字控制系统研究[D].武汉:华 中科技大学,2008. [13] 赵巍.微网综合控制技术研究[D].南京:南京理工大 学,2013. C,DIVAN D M,ADAPA R.Control of [14] CHANDORKAR M [4]何俊,彭力.PWM逆变器双环控制研究[J].通信电源技 术,2007,32(25):2.8. [5] 肖朝霞,王成山,王守相,等.微网分布式电源逆变器的多 环反馈控制策略[J].电工技术学报,2009,24(2): 100—107. parallel connected inve ̄ers in standalone ac supply systems [6]王成山,高菲,李鹏,等.低压微网控制策略研究[J].电机 工程学报,2012,32(25):2—8. [J].IEEE Trans.on Industry Applications,1993,29(1): 136—141. [7] 张纯,陈民轴,王振存,等.微网运行模式平滑切换的控制 策略研究[J].电力系统保护与控制,2011,39(20):1-6. [8] 肖朝霞.微网控制及运行特性分析[D].天津:天津大 学,2008. [15] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版 社,2003:120—150. (编辑】 】 】 】 …】 ,。0t 胡小萍) …,…,…(上接第116页) 参考文献: [1] 中国电器工业协会.GB/T 1094.7—2oo8油浸式电力变压 器负载导则[S].北京:中国标准出版社,1994. [2]傅晨钊,汲胜昌,王世山.变压器绕组温度场的二维数值计 算[J].高电压技术,2002,28(5):10—12. [3] 陈伟根,苏小平,周渠,等.基于顶层油温的变压器绕组热点 温度计算改进模型[J].重庆大学学报,2012,35(5):69-75. 组热点温度计算与分析[J].电力科学与工程,2011,27 (1):32-35. [6] 温波,刘爽,冯加奇,等.油浸式电力变压器绕组温度场的二 维仿真分析[J].变压器,2009,46(9):35-38. [7] 杜莉,王秀春.油浸式变压器内流场和温度场的数值模拟研 究[J].变压器,2012,49(1):19-22. [8] 李季,罗隆福,许加柱.电力机车主变压器油箱三维温度场 有限元分析[J].高电压技术,2005,31(8):21-23. [4] 曲德宇,刘文里,韩波.干式变压器绕组温度场的二维数值 分析[J].变压器,2011,48(12):21-25. (编辑 白林雪) [5] 崔伟,张喜乐,李永刚,等.基于Fluent软件的干式变压器绕