基于LCL濾波器的逆變器的雙閉環(huán)控制

1、“高等電力電子技術(shù)”課程報(bào)告基于LCL濾波的逆變器雙閉環(huán)控制年級(jí)專業(yè)：14電氣工程學(xué) 號(hào)：S姓 名：于尚民授課教師：王曉寰日 期：2015.7.3并網(wǎng)逆變器通常采用L濾波器，雖然結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，但是隨著功率級(jí)別的增加會(huì)地帶來(lái)體積重量增大等問(wèn)題。LCL濾波器使用用于功率較大的場(chǎng)合。高等電力電子課程所講述的正是這種并網(wǎng)逆變器的控制策略。電力電子變化的主要任務(wù)是通過(guò)控制使電力電子系統(tǒng)完成既定的點(diǎn)萌變換，并輸出期望的電流、電壓和功率。那么，對(duì)于電力電子系統(tǒng)的控制將顯得十分的重要。一般采用雙閉環(huán)控制，而控制所采用的反饋信號(hào)又根據(jù)不同的要求而不同。本文是基于有源逆變系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用基于LCL

2、濾波器的并網(wǎng)系統(tǒng)。主要討論控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)和參數(shù)整定。一 主要參數(shù)有功功率：Pn=28.5kW電容：C=20F逆變器側(cè)電感：L1=1.6mH電網(wǎng)側(cè)電感：L2=1mH開(kāi)關(guān)頻率：fs=10kHz電網(wǎng)電壓：Ug=220V電網(wǎng)頻率：f=50Hz直流電源：U=800V首先給出基于LCL濾波的電壓型有源逆變器的主電路，這主要是根據(jù)此圖可以建立數(shù)學(xué)模型。圖1 基于LCL濾波的電壓型有源逆變器的主電路需要注意的是參數(shù)中將電感的等效內(nèi)阻忽略，直流側(cè)用直流電源代替。二 逆變器控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)外環(huán)采用輸出電流反饋。內(nèi)環(huán)則有多種方式，下面主要基于電容電流iC和網(wǎng)側(cè)電感電壓uL2反饋的單位調(diào)節(jié)器內(nèi)環(huán)進(jìn)行控制

3、說(shuō)明。1基于電容電流iC反饋的單位調(diào)節(jié)器圖2 基于電容電流iC反饋的單位調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖對(duì)上圖進(jìn)行簡(jiǎn)化后可得到開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Gks=KsL2Cs2L1L2C+(L1+L2)因?yàn)槭菃挝徽{(diào)節(jié)器K=1*KPWM，即開(kāi)環(huán)增益，如上式。根據(jù)參數(shù)和開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可以畫(huà)出閉環(huán)傳遞函數(shù)極點(diǎn)的根軌跡圖3 基于電容電流iC反饋的單位調(diào)節(jié)器內(nèi)環(huán)根軌跡無(wú)論內(nèi)環(huán)增益K如何變化，基于電容電流iC反饋的單位調(diào)節(jié)器內(nèi)環(huán)控制始終是穩(wěn)定的。2基于網(wǎng)側(cè)電感電壓uL2反饋的單位調(diào)節(jié)器與上述同理先畫(huà)出結(jié)構(gòu)框圖圖4 基于網(wǎng)側(cè)電感電壓uL2反饋的單位調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖對(duì)結(jié)構(gòu)框圖簡(jiǎn)化同樣可以得到開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Gks=KL2s2L1L2C+(L1+L2)

4、畫(huà)閉環(huán)傳遞函數(shù)極點(diǎn)根軌跡圖5 基于網(wǎng)側(cè)電感電壓uL2反饋的單位調(diào)節(jié)器內(nèi)環(huán)根軌跡無(wú)論內(nèi)化增益K如何變化，基于網(wǎng)側(cè)電感電壓uL2反饋的單位調(diào)節(jié)器內(nèi)環(huán)控制均不穩(wěn)定。綜上所述，并不是任何反饋內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器都能使系統(tǒng)穩(wěn)定，基于前面的分析，下述仿真內(nèi)環(huán)控制將基于電容電流iC反饋。三 PI參數(shù)的整定課程中介紹兩種方法，一是典型系統(tǒng)正定法，這種方法雖然簡(jiǎn)單直觀，但需要考慮多環(huán)之間響應(yīng)速度及頻帶相互這影響與協(xié)調(diào)，并且在實(shí)際整定時(shí)還需滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化近似條件。在這個(gè)基礎(chǔ)上提出了另一種整定方法，閉環(huán)極點(diǎn)配置法。本文選用閉環(huán)極點(diǎn)配置法對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行整定，電流外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，電容電流內(nèi)環(huán)采用P調(diào)節(jié)器。結(jié)構(gòu)框圖。圖6 電流雙

5、閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖如果忽略電網(wǎng)電壓Ug的影響，只考慮電容電流IC(s)與逆變器側(cè)電壓Ui(s)的關(guān)系以及電容電流IC(s)與電網(wǎng)電流IL2(s)的關(guān)系，將得到如下關(guān)系式ICs=L2CsL1L2s2+(L1+L2) IL2s=IC(s)s2L2C通過(guò)上式可以將圖6的結(jié)構(gòu)框圖改進(jìn)圖7 電流雙閉環(huán)系統(tǒng)改進(jìn)的控制框圖因此，電容電流內(nèi)環(huán)可以化簡(jiǎn)表示為GCs=KCKPWML1ss2+KCKPWML1s+L1+L2L1L2C=2resss2+2ress+res2電流外環(huán)框圖可以如圖8所示圖8 電流外環(huán)控制框圖通過(guò)化簡(jiǎn)可以得到電流雙閉環(huán)的傳遞函數(shù)如下式Gos=M(KPs+KI)s2s2+2ress+res2+M

6、(KPs+KI)其中，M=2resL2C可以看出電流雙閉環(huán)系統(tǒng)是四階系統(tǒng)，采用零極點(diǎn)配置法時(shí)。特征方程有兩個(gè)主導(dǎo)共軛極點(diǎn)和兩個(gè)非主導(dǎo)的共軛極點(diǎn)或者非主導(dǎo)的兩個(gè)實(shí)軸的根。如式所示Ns=s2+2nns+n2(s2+211s+12)主導(dǎo)極點(diǎn)與非主導(dǎo)極點(diǎn)的關(guān)系為，當(dāng)014nn。將配置極點(diǎn)的Ns與電流雙閉環(huán)的特征方程比較，可得到如下關(guān)系式。211+2nn=2res12+n2+411nn=res22nn12+211n2=KP2resL2C12n2=KI2resL2C當(dāng)1=1時(shí)，1=4nn為最大值?？梢詫⑸鲜交?jiǎn)為n=res1+32n2KC=10nnL1KP=(16n2+4)n2L5res2L1KI=8nn3L5res2L1值得注意的是，公式里的KC實(shí)際是框圖系統(tǒng)中的KCKPWM，所以按照這個(gè)公式算出來(lái)的參數(shù)除以KPWM才是實(shí)際仿真中應(yīng)該用的參數(shù)。經(jīng)分析，將阻尼比n設(shè)置為0.6，計(jì)算系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)：n=2826.2KC=27.13KP=0.253KI=352.15四 仿真搭建仿真模型如圖9所示，以及控制模塊如圖10所示。圖9 搭建模型圖10 控制模型仿真所觀察的是電網(wǎng)側(cè)的a相的電壓和電流如圖11所示。圖11 電網(wǎng)側(cè)a相電壓電流從圖11所示，可以得到電流與電壓同相位