LCL并網(wǎng)逆變器準比例諧振研究范文
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《電機與控制應用雜志》2016年第一期
摘要:
針對傳統(tǒng)lcl并網(wǎng)逆變器對交流電流信號跟蹤存在靜差及抗干擾性較差的問題，提出一種基于準比例諧振和網(wǎng)壓前饋的新型并網(wǎng)控制策略。該控制策略由逆變器側(cè)電感電流反饋環(huán)、網(wǎng)側(cè)電感電流外環(huán)和電網(wǎng)電壓前饋環(huán)組成。其中網(wǎng)側(cè)電感電流外環(huán)采用準比例諧振控制器，同時結(jié)合逆變器側(cè)電感電流內(nèi)環(huán)，在抑制LCL濾波器諧振峰的同時，提高了控制系統(tǒng)的精度;電網(wǎng)電壓前饋控制的引入，一方面提高了系統(tǒng)的響應速度，另一方面保證了在電網(wǎng)發(fā)生畸變時并網(wǎng)逆變器較好的動態(tài)性能。最后，仿真結(jié)果驗證了所提控制策略在無靜差跟蹤及抗電網(wǎng)電壓擾動方面具有顯著優(yōu)勢。
關鍵詞:
LCL并網(wǎng)逆變器;準比例諧振控制器;電網(wǎng)電壓前饋控制;靜差
將光伏發(fā)電、風力發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)應用于船舶電力系統(tǒng)，可降低船舶發(fā)電柴油機容量、減少化石燃料的消耗及提高船舶用電安全。新能源發(fā)電系統(tǒng)的核心是并網(wǎng)逆變器［1］，要求其具有極低的輸出電流總諧波失真(TotalHarmonicDistortion，THD)和極高發(fā)電功率因數(shù)(PowerFactor，PF)，以減小無功功率、諧波等因素對船舶電網(wǎng)造成的危害［2］。為獲得低THD的并網(wǎng)電流，并網(wǎng)逆變器的輸出濾波器一般包括L、LC以及LCL3種類型［3-5］。單電感濾波器結(jié)構(gòu)簡單，但需要較大的電感量才能對諧波進行有效抑制;LC濾波器工作于并網(wǎng)模式時，濾波電容相當于本地負載，不起濾波作用，因此，其濾波效果等同于單電感L濾波器。LCL濾波器能有效抑制電流高次諧波，并降低總電感量，但LCL濾波器是一個無阻尼的三階系統(tǒng)，容易發(fā)生振蕩造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此對系統(tǒng)的控制設計提出了更高的要求［2］。采用傳統(tǒng)的PI控制器設計簡單，但存在靜態(tài)誤差，對給定值中的交流分量難以進行無差跟蹤。文獻［6］采用PI加電網(wǎng)電壓全前饋控制策略，理論上可完全消除靜差，但是全前饋控制策略的引入使系統(tǒng)控制設計變得更為復雜。文獻［5］提出的比例諧振(ProportionalResonant，PR)控制能夠在指定的頻率處提供無窮大的增益，從而實現(xiàn)特定頻率的無靜差控制，但PR控制器不易實現(xiàn)，且在電網(wǎng)電壓突變時，其響應速度會受到影響;同時，由于LCL濾波器諧振峰的存在，采用上述控制方法的LCL并網(wǎng)逆變器是不穩(wěn)定的。文獻［7］提出在電容支路串聯(lián)電阻來抑制諧振，但卻造成了功率損耗。文獻［1］采用電容電流內(nèi)環(huán)來增加系統(tǒng)的阻尼，但測量電容電流較為繁瑣，使系統(tǒng)變得復雜，且降低了控制系統(tǒng)的精度。本文針對上述控制方法的不足，提出基于準比例諧振的并網(wǎng)電流外環(huán)控制策略;同時采用檢測較為方便的逆變器側(cè)電感電流反饋來抑制LCL濾波器的諧振，簡化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)且提高了精度。為進一步提高系統(tǒng)抗干擾性和穩(wěn)定性，本文引入電網(wǎng)電壓前饋控制。
1LCL并網(wǎng)逆變器模型
圖1(a)為帶LCL濾波的單相并網(wǎng)逆變器主電路拓撲。其中Ud為直流側(cè)電壓，LCL濾波器由逆變器側(cè)濾波電感L1、網(wǎng)側(cè)濾波電感L2及濾波電容C組成。i1為逆變器側(cè)電感電流，iC、uC分別為濾波電容電流和電壓，i2為并網(wǎng)電流，ug為電網(wǎng)電壓。當開關頻率遠高于輸出濾波器的截止頻率時，逆變橋可等效為比例環(huán)節(jié)KPWM。本文忽略濾波電感的電阻和濾波電容的寄生電阻。由式(2)可繪制LCL并網(wǎng)逆變器的bode圖，如圖2實線所示(圖2中:實線為無阻尼狀態(tài)，點劃線為阻尼系數(shù)k=0．01時的bode圖，虛線為阻尼系數(shù)k=0.05時的bode圖)。由圖2可知，無阻尼的LCL濾波器在諧振頻率處會產(chǎn)生諧振峰，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
2并網(wǎng)控制策略分析
2．1基于網(wǎng)側(cè)電感電流的有源阻尼為了解決上述問題，最簡單的方法就是在濾波電容回路中串聯(lián)電阻來增加系統(tǒng)的阻尼，即無源阻尼法，但會使系統(tǒng)增加損耗，因此，以控制取代實際阻尼電阻的有源阻尼控制策略得到了廣泛應用。本文采用逆變器側(cè)電感電流i1反饋來抑制LCL濾波器諧振峰，文獻［8］已經(jīng)分析了此方案的可行性，現(xiàn)將其直接引入本文提出的控制系統(tǒng)中，如圖3所示，其中k為i1反饋系數(shù)，即阻尼系數(shù)。根據(jù)式(3)重新繪制LCL逆變器的bode圖，如圖2中虛線及點劃線所示。分析可知:阻尼系數(shù)k對高頻段的幅頻特性影響較小，但對截止頻率fr附近的相頻特性有明顯影響，使得fr之前的系統(tǒng)相角有所減小。阻尼系數(shù)k越大，對系統(tǒng)環(huán)路增益諧振尖峰的阻尼效果越好。綜合系統(tǒng)穩(wěn)定性及阻尼效果，本文取k=0．05。
2．2準比例諧振控制器本文采用直接電流(即網(wǎng)側(cè)電感電流)控制策略，使并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。結(jié)合上述的有源阻尼控制策略，LCL并網(wǎng)逆變器的控制策略框圖如圖4所示。該表達式可分為兩部分:第1部分為跟隨電流指令部分;第2部分為電網(wǎng)作用部分，由于該部分的存在，電網(wǎng)會對所控并網(wǎng)電流造成影響。由此可知，并網(wǎng)電流的誤差是由控制器跟蹤正弦指令所造成的穩(wěn)態(tài)誤差和電網(wǎng)電壓造成的誤差兩部分共同組成的。為了消除上述第一部分的影響，本文對比傳統(tǒng)PI控制和準比例諧振控制策略優(yōu)缺點，擬采用準比諧振控制器。準比例諧振(QPR)控制器在其傳遞函數(shù)的虛軸上增加兩個固定頻率的閉環(huán)極點，形成該頻率下的諧振，使增益增加，從而可實現(xiàn)對輸入信號的無靜差跟蹤，同時減小因電網(wǎng)電壓頻率偏移帶來的不利影響。因此，系統(tǒng)無需增大開關頻率，亦不需采用極高的控制增益(這可能造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定)，QPR策略就能跟蹤正弦電流指令。本文提出的QPR控制器如圖5所示。由圖6可以看出，諧振控制器只對諧振頻率附近的頻域增益很大，而對其他頻域幾乎沒有影響，因此準比例諧振控制器可抑制跟蹤正弦指令所造成的穩(wěn)態(tài)誤差。
2．3電網(wǎng)電壓前饋控制策略準比例諧振控制算法雖然控制精度很高，且可有效抑制靜態(tài)誤差，但實時性卻不夠［9］，若電網(wǎng)電壓發(fā)生嚴重畸變時，會因其動態(tài)響應較慢而導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。這便是上述式(4)第二部分的影響。為了有效抑制電壓發(fā)生畸變時影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，文獻［6］采用電網(wǎng)電壓全前饋控制策略，理論上可完全消除電網(wǎng)電壓對并網(wǎng)電流的影響，但會使控制系統(tǒng)設計復雜且精度不夠。綜合考慮控制系統(tǒng)的復雜性和動態(tài)性，本文引入無延時前饋補償器改善控制系統(tǒng)動態(tài)響應性能，將準比例諧振控制與無延時前饋補償控制相結(jié)合，大大提高了系統(tǒng)控制的動態(tài)性和穩(wěn)定性，如圖7所示。
3仿真及試驗分析
為了驗證上述控制方法的有效性，在MATLAB/Simulink環(huán)境下對基于準比例諧振和電網(wǎng)電壓前饋的LCL并網(wǎng)逆變器進行仿真建模，如圖8所示。在實際應用過程中，電網(wǎng)或多或少存在一定量的諧波，因此在仿真驗證過程中，使電網(wǎng)ug摻入一定的諧波分量。圖9針對本文提出的新型LCL并網(wǎng)逆變器控制算法和傳統(tǒng)PI控制算法，在ug含有3、5和7次諧波分量時，就輸出并網(wǎng)電流進行了比較。圖9(a)～9(c)分別為傳統(tǒng)PI控制、無前饋及含前饋準比例諧振控制器輸出并網(wǎng)電流i2和電網(wǎng)電壓ug仿真波形。可以看出，采用傳統(tǒng)PI控制時，并網(wǎng)電流受電網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響較大，且由于存在穩(wěn)態(tài)誤差而致使其相位滯后于電網(wǎng)電壓;采用準比例諧振控制后，并網(wǎng)電流輸出波形明顯改善，但當無電網(wǎng)電壓前饋時，其相位與電網(wǎng)電壓還存在一定的滯后;引入電網(wǎng)電壓前饋后，并網(wǎng)電流緊緊跟隨電網(wǎng)電壓，且較好地消除了電網(wǎng)中含有的低次諧波的影響。為了驗證在電網(wǎng)發(fā)生畸變時，本文提出的控制方法的有效性。在電網(wǎng)含13和15次諧波分量下進行了仿真分析，其結(jié)果如圖10所示。對仿真波形分析可知，當電網(wǎng)突變時，采用傳統(tǒng)PI控制器，逆變器輸出電流相位嚴重滯后于電網(wǎng)電壓;采用準比例諧振控制而無電網(wǎng)電壓前饋時，較好地改善了其輸出波形，但是與圖9(b)相比，相位差還是稍有增加;由圖10(c)可看出，即使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時，并網(wǎng)電流還是緊緊跟隨電網(wǎng)電壓，因此基于準比例諧振和網(wǎng)壓前饋的逆變器并網(wǎng)控制策略可有效地抑制電網(wǎng)電壓畸變對并網(wǎng)電流的影響。
4結(jié)語
本文針對傳統(tǒng)LCL并網(wǎng)逆變器跟蹤交流信號存在靜差的問題，提出一種新型的并網(wǎng)控制策略。該控制策略采用準比例諧振對并網(wǎng)電流進行直接控制，準比例諧振在特定的頻率下可產(chǎn)生極高的增益，進而可消除跟蹤靜差，且提高控制系統(tǒng)的魯棒性。同時采用逆變器側(cè)電感電流反饋來抑制LCL濾波器的諧振峰，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，電網(wǎng)電壓前饋控制的引入，提高了系統(tǒng)的響應速度和動態(tài)性能。仿真結(jié)果表明，本文提出新型控制策略能有效消除交流信號跟蹤靜差，進而使并網(wǎng)電流相位緊緊跟隨電網(wǎng)相位變化，始終保持與電網(wǎng)電壓同頻同相，且引入電網(wǎng)電壓前饋，其響應速度和抗干擾性得到明顯的改善。
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作者：潘嘉進 劉彥呈 孫赫男 張勤進 劉厶源 單位：大連海事大學 輪機工程學院 大連海事局