基于LCL滤波器的逆变器的双闭环控制

“高等电力电子技术”课程报告基于LCL滤波的逆变器双闭环控制年级专业：14电气工程学号：S14085207021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：Pn=28.5kW电容：C=20μF逆变器侧电感：L1=1.6mH电网侧电感：L2=1mH开关频率：fs=10kHz电网电压：Ug=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iC和网侧电感电压uL2反馈的单位调节器内环进行控制说明。1基于电容电流iC反馈的单位调节器图2基于电容电流iC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Gk(s)=KsL2Cs2L1L2C+(L1+L2)因为是单位调节器K=1∗KPWM，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图3基于电容电流iC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iC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uL2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uL2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Gk(s)=KL2s2L1L2C+(L1+L2)画闭环传递函数极点根轨迹-18000-16000-14000-12000-10000-8000-6000-4000-200002000-1-0.500.51x1040.160.340.50.640.760.860.940.9850.160.340.50.640.760.860.940.9852e+0034e+0036e+0038e+0031e+0041.2e+0041.4e+0041.6e+0041.8e+004RootLocusRealAxisImaginaryAxis图5基于网侧电感电压uL2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uL2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iC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。-4000-3000-2000-100001000200030004000-4-3-2-101234x1040.0850.1150.170.260.55e+0031e+0041.5e+0042e+0042.5e+0043e+0043.5e+0044e+0045e+0031e+0041.5e+0042e+0042.5e+0043e+0043.5e+0044e+0040.0160.0360.0560.0850.1150.170.260.50.0160.0360.056RootLocusRealAxisImaginaryAxis图6电流双闭环系统控制框图如果忽略电网电压Ug的影响，只考虑电容电流IC(s)与逆变器侧电压Ui(s)的关系以及电容电流IC(s)与电网电流IL2(s)的关系，将得到如下关系式IC(s)=L2CsL1L2s2+(L1+L2)IL2(s)=IC(s)s2L2C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GC(s)=KCKPWML1ss2+KCKPWML1s+L1+L2L1L2C=2ξωresss2+2ξωress+ωres2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Go(s)=M(KPs+KI)s2(s2+2ξωress+ωres2)+M(KPs+KI)其中，M=2ξωresL2C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)=(s2+2ξnωns+ωn2)(s2+2ξ1ω1s+ω12)主导极点与非主导极点的关系为，当0ξ11时，ξ1ω14ξnωn。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+2ξnωn=2ωresω12+ωn2+4ξ1ω1ξnωn=ωres22ξnωnω12+2ξ1ω1ωn2=KP2ξωresL2Cω12ωn2=KI2ξωresL2C当ξ1=1时，ω1=4ξnωn为最大值。可以将上式化简为ωn=ωres√1+32ξn2KC=10ξnωnL1KP=(16ξn2+4)ωn2L5ωres2L1KI=8ξnωn3L5ωres2L1值得注意的是，公式里的KC实际是框图系统中的KCKPWM，所以按照这个公式算出来的参数除以KPWM才是实际仿真中应该用的参数。经分析，将阻尼比ξn设置为0.6，计算系统的各个参数：ωn=2826.2KC=27.13KP=0.253KI=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。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00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1-400-2000200400uaia00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1-50050100ia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。