基于svpwm逆变器的直轴和交轴用量控制

基于svpwm逆变器的直轴和交轴用量控制

0电网电流解耦控制方法近年来，随着污染日益严重和石化能源的缺乏，太阳能、电池、太阳能等可支配能源的清洁安全、无污染、可再生等特点已成为研究的热点。太阳能电池和燃料电池等的输出为直流电,风力发电机的输出为频率随风速变化的交流电,而电网电压为恒定的交流电,因此,并网逆变器成为分布式发电系统中的重要组成部分。基于LCL滤波和空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)的并网逆变器由于具有直流电压利用率高、电网电流总谐波畸变率(THD)低、无静差调节、直轴和交轴电流可实现解耦控制等优点在中、大功率场合得到广泛应用。但传统SVPWM控制方法是通过电网电流的交轴和直轴分量分别乘以总滤波电感感抗后注入直轴和交轴电流控制器实现解耦控制的,因此,若电网电流存在谐波,将导致电网电流交轴和直轴分量脉动相互影响,进一步降低了电网电流波形质量。此外,当电网参考电流变化时,三相桥臂的直轴和交轴参考电压无法直接反映电网参考电流的变化,从而导致系统动态响应速度变慢。基于上述原因,本文研究了一种三相SVPWM并网逆变器的改进解耦控制方法。该解耦控制方法将电网参考电流的直轴和交轴分量分别代替电网电流控制器解耦分量中电网电流的直轴和交轴分量。本文详细阐述了三相SVPWM并网逆变器的传统解耦控制方法(以下简称传统控制方法)和改进解耦控制方法(以下简称改进控制方法)的工作原理,并以一台15kVA三相SVPWM并网逆变器为例进行了实验验证。1交轴分量的传统解耦控制方法分析图1是传统控制方法下三相SVPWM并网逆变器的系统框图。图1中:PLL为锁相环;ω为电网电压角频率;Uin为输入电压;L1和L2分别为逆变器侧和网侧的滤波电感;Cf为输出滤波电容;iga,igb,igc分别为A,B,C相的电网电流;uga,ugb,ugc分别为A,B,C相的电网电压;ugd和ugq分别为电网电压经过abc/dq变换后的直轴和交轴电压;ud*和uq*分别为逆变器三相桥臂输出的直轴和交轴参考电压;i*gd和i*gq分别为电网参考电流的直轴和交轴分量(由机柜的控制面板产生),参考方向如图1所示。分析之前作如下假设:(1)所有功率开关管均为理想器件,忽略死区时间;(2)所有电感和电容均为理想元件,且三相参数相同;(3)电网电压为三相对称的纯正弦波;(4)输入电压大于电网电压的峰值。由于LCL滤波器和单L滤波器低频特性相同,因此,基于LCL滤波器的三相并网逆变器在低频段可看做是基于单L滤波器的三相并网逆变器,从而由图1可得LCL滤波器三相并网逆变器在dq旋转坐标系下的三相桥臂输出的直轴和交轴电压ud和uq分别为:式中:igd和igq分别为电网电流经过abc/dq变换后的直轴和交轴电流;L=L1+L2。由式(1)和式(2)可知,为了实现直轴和交轴电流的解耦控制,应在直轴和交轴电流比例—积分(PI)调节器的输出上分别加上-ωLigq和ωLigd。由图1可得传统控制方法的解耦原理框图,如图2所示。由图2可得传统控制方法下的ud*和uq*分别为:式中:Δud和Δuq分别为直轴和交轴电网电流PI调节器的输出。由图2可知,传统控制方法是通过电网电流交轴和直轴分量igq和igd分别乘以总滤波电感感抗后注入直轴和交轴电流控制器实现解耦控制的。因此,若电网电流存在谐波,则igd和igq存在脉动,使得解耦分量-ωLigq和ωLigd也含有脉动,导致ud*和uq*含有脉动,从而进一步加大了igd和igq的脉动,降低了电网电流波形质量。此外,当i*gd和i*gq变化时,由于ud*和uq*分别受解耦分量-ωLigq和ωLigd的影响,无法直接反映电网参考电流的变化,使得ud*和uq*变化缓慢,导致系统动态响应速度慢。2改进控制方法图3是改进控制方法的解耦原理框图,参数定义同图1。该控制方法将i*gd和i*gq分别代替电网电流控制器解耦分量中的igd和igq,则由图3可得改进控制方法下的ud*和uq*分别为:改进控制方法与传统控制方法相比具有以下特点。12动态响应速度改进控制方法由于解耦分量引入的是i*gq和i*gd,直接反映电网参考电流的变化,从而提高了系统的动态响应速度。2igd和igq的脉动比改进控制方法的计算当igd和igq存在脉动时,igd和igq可分别等效为:式中:珓igd和珓igq分别为igd和igq中的脉动量。由式(3)—式(8)可得传统控制方法下的ud*和uq*比改进控制方法增加的三相桥臂直轴和交轴参考电压脉动(珘ud*和珘uq*)分别为:由式(9)和式(10)可知,传统控制方法中珘ud*和珘uq*分别含有解耦分量中的珓igq和珓igd,从而导致igd和igq的脉动分量相互影响,降低了电网电流的波形质量;而改进控制方法中解耦分量所含的是i*gq和i*gd,不存在电网电流的脉动分量,则igd和igq的脉动分量不会相互影响。由上述分析可知,传统控制方法下igd和igq的脉动比改进控制方法的大。由假设(3)可得ugq=0,从而由瞬时功率理论可得:式中:p和q分别为瞬时有功和无功功率;p*和q*分别为瞬时参考有功和无功功率。由前面的分析可知,由于传统控制方法下igd和igq的脉动比改进控制方法大,因此,由式(11)和式(12)可知,传统控制方法下p和q的脉动比改进控制方法大。由于igd和igq在稳态时可近似认为恒定的直流,因此,igd和igq的导数都为0,从而由ugq=0、式(1)、式(2)、式(11)和式(12)可得:由式(15)和式(16)可知,当ugd恒定时,ud为ugd加上与无功功率成比例的量,uq与有功功率成正比。3实验4:不同控制方法下的电流thd为了验证理论分析,研制了一台15kVA的三相SVPWM并网逆变器的原理样机。实验参数如下:输入电压为700V;电网相电压和频率分别为240V/50Hz(实验中其THD为0.5%);逆变器侧电感和网侧电感分别为1.8mH和1.5mH;输出滤波电容为20μF;开关频率为5kHz。表1是传统和改进控制方法在满载情况下的电网电流THD。由表1可知,传统控制方法下的电网电流THD比改进控制方法下的高。主要原因是改进控制方法下igd和igq的脉动分量不会相互影响,而传统控制方法下igd和igq的脉动分量会相互影响。图4是满载情况下uga,iga,igb,igc的实验波形。由图4可知,改进控制方法下的电网电流波形质量比传统控制方法下的高。因此,实验结果验证了理论分析。ud*,uq*,p,q由满载到空载再由空载到满载的实验波形见附录A图A1。可知,在纯阻性、纯感性和纯容性负载下,2种控制方法都实现了直轴和交轴的解耦控制,但传统控制方法的直轴和交轴参考电压ud*和uq*的脉动比改进控制方法大,传统控制方法p和q的脉动比改进控制方法大。因此,实验结果验证了理论分析。ud*,uq*,p,q由空载到满载的动态响应实验波形见附录A图A2。结合式(3)—式(6)可得到如下结论。1ud#都正饱由式(13)可知,纯阻性负载下i*gd为正值,则i*gd由0突变至正额定值,使得电网电流d轴分量的PI调节器正饱和,从而导致2种控制方法下ud*都正饱和。对于电网电流q轴分量的控制器,i*gq不变,由于输出滤波电感的存在,igq在i*gd突加瞬间不会突变,则其PI调节器输出不变。传统控制方法下,由于q轴解耦分量为ωLigd,则uq*缓慢增加,导致动态响应速度慢;改进控制方法下,由于q轴解耦分量为ωLi*gd,则uq*突加到给定值,提高了动态响应速度。2uq#都负饱由式(14)可知,纯感性负载下i*gq为负值,则i*gq由0突变至负额定值,使得电网电流q轴分量的PI调节器负饱和,从而导致2种控制方法下uq*都负饱和,即降为0(由于最小值限幅为0)。对于电网电流d轴分量的控制器,i*gd不变,由于输出滤波电感的存在,igd在i*gq突减瞬间不会突变,则其PI调节器输出不变。传统控制方法下由于d轴解耦分量为-ωLigq,则ud*缓慢增加,动态响应速度慢;改进控制方法下由于d轴解耦分量为-ωLi*gq,则ud*突加至给定值,提高了动态响应速度。3d轴分量的动态特性由式(14)可知,纯容性负载下i*gq为正值,则i*gq由0突变至正额定值,使得电网电流q轴分量的PI调节器正饱和,从而导致2种控制方法下uq*都正饱和。需要说明的是:由式(15)和式(16)可知,ud*为ugd加上与无功功率成正比的量,uq*与有功功率成正比,因此为了限制有功功率,uq*的饱和值小于ud*的饱和值。对于电网电流d轴分量的控制器,与纯感性突加负载情况相同,其PI调节器输出不变。传统控制方法下由于d轴解耦分量为-ωLigq,则ud*缓慢减小,动态响应速度慢;改进控制方法下由于d轴解耦分量为-ωLi*gq,则ud*突减至给定值,提高了动态响应速度。ud*,uq*,p,q由满载到空载的动态响应实验波形见附录A图A3。结合式(3)—式(6)可得上述类似的结论,不同的是突加负载下的ud*和uq*与突卸负载的变化方向相反。