基于电网电压定向的双闭环并网控制策略

基于电网电压定向的双闭环并网控制策略在单级式并网系统中，由于没有前级，无法实现直流母线电压的稳定，因此需通过并网逆变器实现直流母线电压的控制，故采用电压外环，电流内环的双闭环控制策略。电压外环的作用是稳定直流母线电压，可通过引入一个PI调节器实现无静差控制，其给定为MPPT输出的最大功率点电压。电流内环分为有功电流内环和无功电流内环，分别引入一个PI调节器控制。有功无功电流的分离可以通过电网电压定向的矢量控制实现，所谓电网电压定向即在同步旋转坐标系下，电网矢量E与d轴重合。基于电网电压定向的三相VSI的输出电流矢量图如图3-4所示，图中，I为逆变器侧电流矢量，E为电网矢量，eα、eβ为电网电压矢量E在静止坐标系下的分量，iα、iβ分别为逆变器侧电流矢量I在静止坐标系下的分量，id、iq分别为逆变器侧电流矢量I在旋转坐标系下的分量。β轴α轴q轴d轴IEeαeβiαiβidiqφγ（静止）（旋转）O图3-4基于电网电压定向的三相VSI的输出电流矢量图电网电压定向后，有ed=|E|，eq=0，结合瞬时功率理论，可得电网有功功率和无功功率的表达式如式(3-4)，从该式可知，若电网电压不变，则可以通过id和iq间接控制并网的有功功率和无功功率。qddqqdddqqdd23232323ieieieqieieiep(3-4)直流侧输入有功功率dcdcuip，不考虑逆变器损耗，则根据上式可得式(3-4)。从该式可知，直流侧电压udc可通过交流侧电流id控制，即电压外环的输出可以作为有功电流的给定id*。dddcdc23ieuip(3-4)（1）电流内环的设计电流内环在dq静止坐标系下进行设计，在dq静止坐标系下有以下关系qdqdqdvviiRLpLLRLpee(3-5)式中，ed、eq电网电压E在d、q轴上的分量；id、iq分别为逆变器桥臂侧电流矢量I在d、q轴上的分量；vd、vq分别为逆变器桥臂电压矢量V在d、q轴上的分量；p为微分算子。从式(3-5)可以看出，电流在d、q轴上的分量是互相耦合的，为实现解耦控制，采用前馈解耦控制策略。电流内环采用的是PI调节器，则vd、vq的控制方程qdq*qIPq))((eLiiisKKvii(3-6)dqd*dIPd))((eLiiisKKvii(3-7)式中，id*、iq*分别为电流id、iq的给定值；KiP为比例增益；KiI为积分增益。根据式(3-6)、(3-7)，可以画出如图3-5所示的电流内环控制结构。id*由电压外环的输出给定，iq*给定值为0，id、iq由两个相同的PI调节器独立控制。PIPIid*iq*idiqedeqωLωLvdvqvαvβ2r/2sSVPWMsasbsc图3-5电流内环控制结构根据电流内环的控制结构，可以画出其控制框图，如图3-6。该框图不考虑电网电压扰动，采样保持器用一个小惯性环节)1(1ssT代替，Ts为开关管采样周期，逆变器也可以等效为一个小惯性环节，时间常数为采样周期Ts的一半，设逆变器的增益为KPWM，则逆变器环节可以等效为)15.0(sPWMsTK。图中，IPiiiKK。id*idTss+11τis+1τisKiPKPWM0.5Tss+11/R1+(L/R)s图3-6电流内环控制框图电流内环按典型I型系统设计，令τi=L/R，并合并小时间常数，则根据图3-6的控制框图，可得电流内环的开环传递函数Woi为)15.1(SPWMPsTsRKKWiioi(3-8)按照典型I型系统最优参数设计原则，令阻尼比ξ=0.707时，可得最优控制效果，此时可得KiP、KiI数值PWMsPIPWMsP33KTRKKKTRKiiiii(3-9)(2)电压外环的设计在对电压外环进行设计时，需考虑电流内环的影响。根据前面得出的电流内环开环传递函数，在开关周期Ts较小时，可以将其闭环传递函数Wci简化为式(3-10)，从该式可看出，电流内环相当于一阶惯性环节。sTWcis311(3-10)在稳态时，直流母线电压为Udc，结合式(3-4)，可以推出直流侧电流idc与电流内环输出电流id的关系为ddcddc23iUei(3-11)考虑电压外环的采样周期，需在电压外环的控制结构中，加入一小时间常数的惯性环节。这样就可以画出电压外环的控制框图，如图3-7所示。图中，Tu为电压外环采样时间常数；KuP为电压外环比例增益；τu积分时间常数，τu=KuP/KuI，KuI为积分增益；C为直流母线侧电容。Udc*UdTus+11τus+1τusKuPWci3ed2Udcid*ididciLsC1图3-7电压外环的控制框图将电压外环采样时间常数Tu与电流环的惯性环节3Ts合并，可以得到等效时间常数se3TTTuu。根据图3-7电压外环控制框图，可以得到其开环传递函数为)1(2)1(3e2dcdPosTCsUseKWuuuuu(3-12)由式3-12可知，电压环为典型II型系统，设h为中频带宽，则有uuThe(3-13)dedcP3)1(ehThCUKuu(3-14)当h=5时，可以得到最优控制，此时电压外环的PI调节器的比例增益和积分增益分别为dcPedPdcI2ed25225uuuuuuCUKTeKCUKTe(3-15)