控制参数对变流器输出谐波特性的影响仿真分析

1、控制参数对变流器输出谐波特性的影响仿真分析摘 要：随着风力发电、光伏发电等发电技术的大力发展，其对接入系统在电能质量、稳定性以及供电可靠性等方面带来了不可忽视的影响。本文重点对风光发电并网接口装置变流器的控制参数对其输出谐波特性的影响进行了仿真研究。变流器输出谐波中的低次谐波主要受到系统外部扰动、闭环PI（proportional integral）参数设计、脉冲死区等因素影响；高次谐波主要受到PWM（Pulse-Width Modulation）调制的开关频率（频率调制比）和调制度（又称，调制系数、幅度调制比）的影响。本文主要仿真分析了开关频率、调制度、PI参数以及脉冲死区等控制参数对变流器

2、输出谐波特性的影响。关键词：变流器、谐波、控制参数Simulation analysis of control parameters influencing on the characteristics of the converter harmonicAbstract：With the development of the renewable energy generation, the influence on power quality, stability and supply reliability and so on cannot be ignored. The harmonics

3、 characters of converter, which is the grid interface device of wind or solar power, is detail discussed with simulation analysis. The low order harmonics is mainly decided by the system of external disturbances, the closed-loop PI parameters and the dead time compensation. This can be done by reaso

4、nable design of control strategy, adjusting the PI parameters. Higher harmonics is caused mainly by the switching frequency (frequency modulation ratio) and modulation (also called, modulation index, modulation of the effects) of PWM modulation. This article mainly analysis the relationship between

5、the influence of system, the switching frequency, PI parameters, dead time and the harmonic characteristics of the converter output.关键词：变流器、谐波特性、控制参数Keywords: converterer, harmonic, control parameters81 引言风力发电、光伏发电等新能源发电技术的并网变流器是主动配电网中的主要谐波源之一。研究其谐波产生的机理及影响其谐波的各种因素，对谐波的监测、控制和治理均有重要的指导意义1,2。有大量文献对变流器

6、两侧谐波产生的机资助信息：清华大学电力系统国家重点实验室开放基金资助理进行了分析3,4,5，详细讨论了变流器交直流侧的谐波产生过程。文献6,7指出调制度与载波频率对变流器输出谐波的影响，并对变流器输出谐波做了频谱分析。文献8总结了SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）谐波分布的主要特点及影响谐波分布的几个主要因素，为更有效消除SVPWM谐波污染提供了理论基础和指导；文献9,10详细说明了PI调节器的整定方法及过程。本文主要通过Matlab/Simulink仿真，分析开关频率、调制系数、PI参数及脉冲死区的设置对变流器输出谐波的影响，尤其是PI参数对

7、变流器的影响。通过本文的结论，可以了解变流器谐波的影响因素，从而对抑制变流器谐波起到指导作用。2 PWM变流器双闭环控制原理在三相电压型PWM 整流器控制系统的设计中，一般采用双闭环控制，即电压外环和电流内环，如图1。电压外环的作用主要是控制三相PWM变流器直流侧电压，而电流内环的作用是要按照电压外环输出的电流指令进行电流控制。图 a 前馈解耦控制 图 b 双闭环控制图 1 控制框图3 开关频率的影响为研究开关频率域变流器输出谐波关系，采用Matlab/Simulink建立仿真模型，对变流器输出谐波进行仿真分析。参数为：线电压有效值690V，L=0.5mH，Udc=1150V。改变开关频率，通

8、过Matlab/Simulink仿真得到变流器输出电流谐波的频谱图。图a fs=4000Hz图 b fs=6000Hz图c fs=8000Hz图2 不同开关频率下的变流器输出电流频谱图由输出电流的频谱图可知，谐波主要分布在开关频率及其倍频附近，这是空间矢量控制谐波分布共同的特点。提高开关频率，谐波畸变率有所下降。且幅值较大的谐波向高频发生了转移，从而降低了低次谐波含量，使变流器输出电流频谱发生了变化。4 调制系数的影响本节分析空间矢量调制中的谐波问题。图3 空间矢量的复平面分布及扇区划分当有空间矢量落入扇区I时，有T1=Tsmasin-+3 （1） T2=Tsmasin （2）ma=3Vref

9、Vdc （3） ma表示调制系数。不同调制系数下变流器输出电压电流波形，及其频谱如图4-6。ma=0.5，fs=4000，输出波形图 相电流频谱 相电压频谱图 4 ma=0.5ma=0.7，fs=4000，图 5 ma=0.7ma=0.9，fs=4000，图6 ma=0.9由图4，5，6中的电压电流波形可以看出，输出电流明显比输出电压更接近正弦波，这是因为感性负载的作用。当调制系数ma降低时，输出电压总谐波畸变率就会相应的增加，这是由零矢量作用的增强造成的。根据以上分析，可以通过提高调制系数和调整载波频率的方法，有效降低变流器输出谐波水平。5 PI参数的影响在三相电压型PWM 整流器控制系统的

10、设计中，一般采用双闭环控制，即电压外环和电流内环。电压外环的作用主要是控制三相PWM 整流器直流侧电压，而电流内环的作用是要按照电压外环输出的电流指令进行电流控制。双闭环控制框图如下图：图7 双闭环控制框图由图可知，在双闭环控制系统中，有三个PI调节器。包括一个电压外环PI调节器和两个电流内环PI调节器。5.1 电压外环PI参数与变流器输出谐波关系电压外环的主要作为是稳定直流侧电压，PI调节器用来跟踪直流侧电压的变化以输出正确的电流指令。PI调节器参数较小，可能会导致跟踪速度变慢，甚至跟不上直流侧电压的变化；而PI参数过大又可能使得PI调节器的输出对输入的电压变化过于敏感而导致输入指令出现大幅

11、振动。由此可见电压外环PI参数直接关系电流指令的大小，进而影响到变流器输出的电压电流。（1）确定比例增益、积分增益范围分别令：Kp=1，Ki=20、Kp=30，Ki=20、Kp=1，Ki=300、Kp=30，Ki=300时PI的调节作用如图8：Figure a Kp=30 Ki=300Figure b Kp=30 Ki=20Figure c Kp=1 Ki=300 Figure d Kp=1 Ki=20图8 不同参数下PI调节器的输入输出当Kp=1时，PI调节器需要至少需要0.2s左右的时间才能达到稳定，当积分作用较小时，需要的时间更长。Kp=30时，跟踪时间需要0.15s左右，且此时的PI调

12、节器输出出现较大波动，整个系统尚处于稳定。因此可以将比例增益在1-30之间变动，积分增益变动范围定位20-300。（2）当比例增益在1-30之间，积分增益在20-300之间变动时得到电流谐波总畸变率随比例增益和积分增益变化规律，如图9。图9 电流谐波畸变率随PI参数变化曲线1图10 电流谐波畸变率随PI参数变化曲线2根据电流谐波畸变率随PI参数的变化曲线图9和10可以得到如下结论：图2中可以清晰的看出，谐波畸变率与比例增益呈正相关。比例增益取得过大会使直流侧电压不稳定和网侧指令电流不稳定从而导致网侧电流产生较大谐波。比例增益kp取值较小时，可以得到稳定的直流侧电压和网侧电流，谐波含量更少。当k

13、p取得过小时，PI调节器容易出现跟踪不上的情况，会导致系统的不稳定。由于实验的内环控制形式及参数相同，上述实验结果充分体现了外环PI参数对网侧电流幅值和谐波的影响。5.2 电流内环PI参数与变流器输出谐波关系在研究电流内环PI参数对变流器输出谐波的影响时，保持电压外环PI参数不变。根据以上仿真结果，选择电压外环PI调节器的参数为Kp=3，Ki=200。从控制框图中的前馈解耦控制可以看出，两个电流PI调节器具有对称性，因此其设计方法及参数都相同。确定调节范围令电流内环的PI调节器kp=0.1，ki=10图11 PI输入输出特性1增大比例增益至Kp=3，Ki=10，观察PI调节器的输入输出如图11

14、。图12 PI输入输出特性2Kp=0.1，Ki=10时PI调节器的输入输出特性如图10，稳定后的PI调节器的输出曲线有很多周期恒定的小波峰。这是由于PI参数比较小的表现。Kp=3时，PI调节器的输出出现类似正弦的曲线波动，这时的比例增益已经偏大，但系统还未失稳。故把PI参数的比例增益限制在0.1-3之间，积分增益限制在10-300之间。改变比例增益和积分增益，记录并绘图分析其大小与变流器输出电压电流谐波总畸变率的关系。比例增益每隔0.3取一个值，积分增益每隔30取一个值。记录变流器输出电流的畸变率。根据记录的数据，绘制如下拟合曲线。图a 拟合曲线1图b 拟合曲线2图13 电流谐波畸变率拟合曲线

15、图在比例增益较弱时，谐波畸变率主要受积分作用的影响，并且随着积分作用的增强，谐波畸变率有增加的趋势。当比例增益大于0.3时，电流谐波畸变率主要受比例增益的作用影响，且变化率逐步变缓。比例作用对电流谐波畸变率的变化起着主导的作用，把比例积分调整好就可以把电流谐波畸变率限制在某个范围内。6 死区时间的影响在理想情况下，每个桥臂的上下开关管严格轮流导通和关断。但在实际工程中，每个开关管的通断都需要一定时间，尤其是关断时间比导通时间更长。在一个开关管的关断过程中，若另一个开关管已经导通，则必然引起桥臂短路。为此，需要让开关管的触发信号推迟一段时间，称为死区时间。在该期间内，桥臂上下开关管都没有触发信号

16、，该桥臂的工作状态将取决于两个续流二极管和该相电流的方向11,12。6.1 死区时间对变流器驱动脉冲的影响如果所示，Ug1和Ug4是无死区时a相桥臂上下开关管的互补驱动信号，Ug1*和Ug4*分别是将理想互补信号的各上升沿均推迟了死区时间td的实际脉冲13。图14 PWM信号加死区后波形6.2 死区对变流器输出谐波的影响在理想的PWM信号输出侧加入上升沿延迟时间（即死区时间）td即可得到实际的PWM脉冲。设置开关频率为2kHz。分别令，td=0，10s，20s，30s，分析变流器输出电流频谱。图 a td=0 图b td=10s图c td=20s图 d td=30s图15 死区对变流器输出谐波

17、影响死区电压中含有丰富的低次谐波和高次谐波，其中高次谐波分布在载波频率及倍频附近，由于滤波电感的滤波作用使得高次谐波对线电流的谐波畸变影响较小；然而死区电压中的低次谐波如n=6k±1等对输出侧电流波形的危害较大。如上图中5，7次谐波变化幅度很大，就是受此影响。随着死区时间的增加，电流谐波畸变率从7.88%增加到8.03%。死区时间的设置要尽可能根据开关管的实际情况去模拟，取值过大或过小都会与实际情况有很大差异。7 结论本文利用matlab/simulink仿真工具，通过对PWM变流器控制参数对变流器输出谐波特性的影响的仿真分析，得到了关于变流器输出谐波与开关频率、PI参数等的关系，并

18、得到以下结论：（1）变流器输出电流中高次谐波主要分布在开关频率及其倍频处，这是由PWM调制算法决定的。增大开关频率，可一定程度上降低电流谐波畸变率。（2）如果采用SVPWM调制，调制系数变化意味着调制电压的变化。此时各次谐波幅值都会发生变化，但总体的趋势是，各次谐波幅值随着调制系数的增加而减小。随着调制系数的增大，变流器输出电压的总谐波畸变率快速下降。（3）电压外环PI调节器的参数关系到控制系统能否得到稳定的电流指令。其参数过大会使输出电流指令发生震荡，从而使输出电流谐波畸变率增大。（4）电流内环PI参数中比例增益对输出的电流谐波起着决定作用。在系统稳定的前提下，增大比例增益可以降低变流器输出电流谐波畸变率。（5）死区时间的设定可以使仿真结果与实际情况更接近。死区时间设定的越长，变流器输出谐波畸变率就会越大。参考文献1.王兆安.杨君等 谐波抑制和无功补偿M. 机械工业出版社. 20062.夏道止.沈赞埙. 高压直流输电系统的谐波分析及滤波M. 水利电力出版社. 19943.李琼林.刘会金.三相变流器的谐波间谐波统一调制分析建模J. 2008，34(4)：718-7274