基于LCL滤波器的逆变器的双闭环控制
年级专业:14电气工程 学 号:S[1**********] 姓 名:于尚民 授课教师:王晓寰 日 期:2015.7.3
并网逆变器通常采用L 滤波器,虽然结构和控制简单,但是随着功率级别的增加会地带来体积重量增大等问题。LCL 滤波器使用用于功率较大的场合。高等电力电子课程所讲述的正是这种并网逆变器的控制策略。
电力电子变化的主要任务是通过控制使电力电子系统完成既定的点萌变换,并输出期望的电流、电压和功率。那么,对于电力电子系统的控制将显得十分的重要。一般采用双闭环控制,而控制所采用的反馈信号又根据不同的要求而不同。
本文是基于有源逆变系统来进行控制系统的设计。采用基于LCL 滤波器的并网系统。主要讨论控制系统的结构、调节器设计和参数整定。 一 主要参数
有功功率:P n =28.5kW 电容:C=20μF
逆变器侧电感:L 1=1.6mH 电网侧电感:L 2=1mH 开关频率:f s =10kHz 电网电压:U g =220V 电网频率:f =50Hz 直流电源:U=800V
首先给出基于LCL 滤波的电压型有源逆变器的主电路,这主要是根据此图可以建立数学模型。
图1 基于LCL 滤波的电压型有源逆变器的主电路 需要注意的是参数中将电感的等效内阻忽略,直流侧用直流电源代替。
二 逆变器控制系统的内环结构
外环采用输出电流反馈。内环则有多种方式,下面主要基于电容电流i C 和网侧电感电压u L2反馈的单位调节器内环进行控制说明。
1基于电容电流i C 反馈的单位调节器
图2 基于电容电流i C 反馈的单位调节器结构框图
对上图进行简化后可得到开环传递函数
G k s =
KsL 2C
1212因为是单位调节器K =1∗K PWM ,即开环增益,如上式。 根据参数和开环传递函数可以画出闭环传递函数极点的根轨迹
4
Root Locus
I m a g i n a r y A x i s
Real Axi s
图3 基于电容电流i C 反馈的单位调节器内环根轨迹
无论内环增益K 如何变化,基于电容电流i C 反馈的单位调节器内环控制始终是稳定的。
2基于网侧电感电压u L2反馈的单位调节器 与上述同理先画出结构框图
图4 基于网侧电感电压u L2反馈的单位调节器结构框图 对结构框图简化同样可以得到开环传递函数
G k s =
KL 2
1212画闭环传递函数极点根轨迹
I m a g i n a r y A x i s
4
Root LocusReal Axi s
图5 基于网侧电感电压u L2反馈的单位调节器内环根轨迹 无论内化增益K 如何变化,基于网侧电感电压u L2反馈的单位调节器内环控制均不稳定。
综上所述,并不是任何反馈内环调节器都能使系统稳定,基于前面的分析,下述仿真内环控制将基于电容电流i C 反馈。 三 PI参数的整定
课程中介绍两种方法,一是典型系统正定法,这种方法虽然简单直观,但需要考虑多环之间响应速度及频带相互这影响与协调,并且在实际整定时还需满足结构简化近似条件。在这个基础上提出了另一种整定方法,闭环极点配置法。
本文选用闭环极点配置法对PI 参数进行整定,电流外环采用PI 调节器,电容电流内环采用P 调节器。结构框图。
图6 电流双闭环系统控制框图
如果忽略电网电压U g 的影响,只考虑电容电流I C (s)与逆变器侧电压U i (s)的关系以及电容电流I C (s)与电网电流I L2(s)的关系,将得到如下关系式
I C s =
L 2Cs
1212I C (s)
2I L2 s =
通过上式可以将图6的结构框图改进
图7 电流双闭环系统改进的控制框图
因此,电容电流内环可以化简表示为
K C K PWM
s 2ξωres s 1
G C s ==
C PWM res res 2s +s +112
电流外环框图可以如图8所示
图8 电流外环控制框图
通过化简可以得到电流双闭环的传递函数如下式
G o s =
2ξωres
L 2C
M(KP s +K I )
s s +2ξωres s +ωres +M(KP s +K I )
其中,M =
可以看出电流双闭环系统是四阶系统,采用零极点配置法时。特征方程有两个主导共轭极点和两个非主导的共轭极点或者非主导的两个实轴的根。如式所示
N s = s 2+2ξn ωn s +ωn 2 (s2+2ξ1ω1s +ω12)
主导极点与非主导极点的关系为,当0
n ωn 。
1
将配置极点的N s 与电流双闭环的特征方程比较,可得到如下关系式。
2ξ1ω1+2ξn ωn =2ωres
ω12+ωn 2+4ξ1ω1ξn ωn =ωres 2
2ξωres
2ξn ωn ω12+2ξ1ω1ωn 2=K P 2ω12ωn 2=K I
2ξωres
2
当ξ
1
=1时,ω1=4ξ
n ωn 为最大值。可以将上式化简为
ωn =
1+32ξn 2
K C =10ξn ωn L 1 (16ξn 2+4) ωn 2L K P =
res 18ξn ωn 3L K I =res 1
值得注意的是,公式里的K C 实际是框图系统中的K C K PWM ,所以按照这个公式算出来的参数除以K PWM 才是实际仿真中应该用的参数。 经分析,将阻尼比ξ
n 设置为
0.6,计算系统的各个参数:
ωn =2826.2
K C =27.13 K P =0.253 K I =352.15
四 仿真
搭建仿真模型如图9所示,以及控制模块如图
10所示。
图9 搭建模型
图10 控制模型
仿真所观察的是电网侧的a 相的电压和电流如图11所示。
图11 电网侧a 相电压电流
从图11所示,可以得到电流与电压同相位,无功抑制较好。现在单独观察a 相电流波形如图12所示。
ia
图12 电流波形
电流幅值为64.5
和所给定值一致,但是,在仿真开始阶段电流
有振荡,这是由于调节器参数整定时出现误差,使的电流没有准确跟踪,这是以后改正的方面。