文档介绍：三相并网逆变器的双环控制策略研究
1  引言
    随着新能源发电在全世界范围内应用越来越广泛,并网发电技术也成为一个重要的研究方向[1-5]。而新能源如太阳能电池、燃料电池以及小型风力发电都需要采用并网逆变器与电网相连接。通常并网逆变器采用高频PWM调制下的电流源控制,从而导致进入电网的电流中含有大量高次谐波,一般会采用L滤波器进行滤除,但是目前一些研究文献[6-7]提到LCL滤波器具有比和L型滤波器更理想的高频滤波效果。从而常被用于大功率、低开关频率的并网设备,同时基于LCL滤波器的控制技术也成为新的研究热点之一。
    尽管LCL滤波器滤除高次谐波效果明显,但是LCL滤波器是一个谐振电路,其谐振峰对系统的稳定性以及并网电流波形质量有很大的影响,如何设计控制器使系统稳定运行是必需解决的问题。在这种情况下基于电流双环的控制策略被提出来,同时文献[8][9]都提出了引入滤波电容电流内环的电流双环控制策略的可行性,并没有提出电流双环控制器的设计方案以及分析内外环的比例参数对系统的系统稳定性以及谐波阻抗的影响。与逆变器控制为电压源采用电压电流双环控制策略的设计方法不同。由于电流双环内外环控制器的带宽频带相差不大,所以不能按照电压源型逆变器的电压电流双环分开设计思路来确定控制器参数,此外电流双环控制策略应用于并网电流的波形控制,被控对象为工作在并网模式下采用LCL三阶滤波器的三相逆变器,其开环情况下系统的三个极点离虚轴很近,如何合理设计控制器参数使闭环控制系统具备一定的稳定裕度和快速动态响应速度需要进一步研究。
    基于以上分析本文针对三相并网发电系统的运行特点以及LCL滤波器的工作特性,研究基于LCL滤波器的电流双环控制的少自由度问题,并提出了基于高阶极点配置的实用新方法设计电流双环控制器参数,并配合劳思-赫尔维茨稳定判据验证控制系统稳定性,同时验证控制器参数和系统参数在一定范围内变化的情况下系统的鲁棒性,并最终将该设计方法得到的控制器参数应用于三相并网发电系统的实验平台,通过实验结果验证本文所提出的基于电流双环控制的三相并网逆变器具备一定的稳定裕度和快速动态响应速度。
2  并网逆变器的状态空间数学模型
主电路拓扑
    如图1所示三相并网发电系统的拓扑结构图,在图中idc1代表直流输入电源,C1代表输入直流母线滤波电容、T1~T6代表三相逆变桥的6个IGBT开关管,R1代表滤波电感L1的内阻和由每相桥臂上、下管互锁死区所引起的电压损失,R2代表滤波电感L2的内阻,L1、C2、L2组成三阶LCL滤波器。
图1  三相并网发电系统拓扑结构图
三相并网逆变器dq坐标系下数学模型
    滤波器状态空间模型的具体形式与所选状态变量有关,为了建立采用LCL滤波器的三相并网逆变器的状态空间数学模型[8,10-12],这里选择L1电感电流i1,电容C2电压uc以及并网电感L2上的电流i2为状态变量,在三相平衡的情况下根据Park变换可得两相同步旋转dq坐标系下的状态方程式(1)。
       (1)                                    
    根据公式(1)所示的LCL滤波器的在dq坐标系下的数学模型。旋转3/2变换在系统的d轴和q轴之间引入了强耦合,d、q轴电流除受控制量ud和uq影响外,还受耦合电压ωL1iq、ωL2i2q、-ωL1id、-ωL2i2d和耦合电流ωC2ucq、-ωC2ucd以及电网电压usd、usq的影响。如果不对d轴和q轴进行解耦控制,采用电流闭环控制时d轴和q轴的电流指令跟踪效果不是很理想。
    而引入状态反馈对这些耦合量进行全部解耦控制,分别列出d轴和q轴解耦后的控制器输出量如下:
       (2)
    如图2所示,如果引入状态反馈对这些耦合量进行全部解耦控制,不仅引入的状态量比较多,而且计算ucd、ucq和i2d、i2q的解耦控制量时还需要进行微分算法,这样使控制器的设计起来非常复杂,此外与控制器设计相关联的系统参数非常多,这样控制器的性能非常依赖建模时各个参数的精确度,如果任何一个相关联的参数在系统运行时有变化同样也会影响控制器的性能。因此基于以上分析,因此选择经过Clark变换将三相逆变器变换成两个等效的单相逆变器在αβ坐标系下进行控制。采用该方案可以避免了dq变换和复杂的解耦过程,使控制器设计起来比较相对简单。因此以下所提的三相并网逆变器的控制策略都是基于αβ坐标系展开研究。
图2  dq坐标系下基于状态反馈解耦控制原理图
3 基于电流双环控制的原理分析
    文献[9]和[10]已经从系统稳定性进行分析,采用并网电流单环PI控制无法使系统稳定运行,而采用电感电流i1作为内环电流反馈的电流双环控