一种基于相位滞后的并网变流器电流双环控制方法(2)

内环的阶跃响应如图5所示。动态过程显示，内环延时0.05 ms，上升时间0.1 ms，超调量20 %，经过0.8 ms的振荡调节过程逐渐达到稳态，总的调节时间为4 ms。可见，内环动态响应速度较快。

G

C/dB

0 20

/(°)

180 360

010

10

1

10

2

10

f/Hz

3

10

4

10

5

图6 内环跟踪指令的频率特性 Fig.6 Bode plot of inner loop tracking reference

电网电压us是并网变流器重要的扰动源，内环抑制其对电网电流i2的影响的能力也是重要的性能指标。内环对电网电压的频率响应如图7所示。在250、350 Hz频率点，内环对扰动分别只有-7.56、

图7 内环抑制电网扰动的频率特性

Fig.7 Bode plot of inner loop suppressing grid disturbance

一种基于相位滞后的并网变流器电流双环控制方法

张东江，等 一种基于相位滞后的并网变流器电流双环控制方法 - 131 -

-6.9 dB的抑制能力。可见，内环对电网的5、7次谐波电压抑制能力明显不足，这将严重影响并网逆变器的输出电流波形质量。

综上所述，内环在稳态精度方面存在不足，需要采用高稳态精度的外环保证稳态性能。

3 重复控制外环的性能分析

得益于重复内模对谐波信号提供的高增益，重复控制适合于处理交流信号的高精度控制问题。 3.1 重复控制基本原理

双环控制系统框图如图8所示。电流指令i2r除了输入给重复控制外环，还送给内环进行前馈控制，使系统可以对i2r的变化进行快速响应。重复控制包括重复内模（正反馈回路），周期延迟环节（Z-N）和校正器（C1(z)）。内部模型的传递函数为

Gim(z)=

eo(z)eiz=

1 （7）

N

1 Qzz

稳态性能也有一定程度的提高，这在低频段较为明显，例如300 Hz信号的误差从-34.9 dB减小为-49.2 dB，随着频率的上升，两者的性能差距逐渐减小。这是因为式（9）与无前馈的重复控制误差传递函数相比，分子多了（1-Φi(z)）项。在低频段，内环对指令具有一定的跟踪能力，该项的幅值也就小于1，因此总的控制系统误差也将减小。这说明内环减轻了重复控制外环负担，有利于提高整个控制环的稳态精度。

1内环 2双环无前馈 3双环有前馈

图8 双环控制结构框图

Fig.8 Double-loop control block diagram

图9 双环控制对指令的误差频率特性

Fig.9 Bode plots of double-loop control tracking reference

双环控制对电网电压扰动的闭环传递函数为

Φed(z)=

这里，Q(z)是衰减滤波器，通常为小于1的常数，本文中为0.98，以保证稳定性。式（7）的差分方程形式为

eo(k)=ei(k)+0.98eo(k N) （8） 式（8）表示重复内模以电网周期为步长对误差进行积分，直到误差小于重复内模输出信号的0.02倍。这样，类似于PI控制器对直流信号进行积分，重复内模可以对谐波进行积分，因此可以对谐波提供高增益，在理论上做到无静差，这是重复控制的基本原理。

3.2 双环控制的稳态性能

双环控制对内环带有前馈的指令跟踪误差传递函数为

ei2o

(z

N

N

Q(z))Φid(z)

（10）

z Q(z)+C1(z)Φid(z)

式中，Φid(z)为内环响应扰动的闭环传递函数。

双环控制抑制电网电压扰动的能力如图10所示。波特图显示，只有内环时，控制环对电网电压的抑制能力随着频率升高逐渐减弱，对6次谐波的抑制能力只有-7.1 dB。加入重复控制外环后，双环系统对扰动抑制能力有了较大提高，对各次谐波均有-34.3 dB的抑制能力。

(z(z)=

N

Q(z))(1 Φi(z))

z Q(z)+C1(z)Φiz （9）

式中，Φi(z)为内环响应指令的闭环传递函数。

双环系统响应指令的误差频率特性如图9所示。可见，重复控制外环极大地提高了系统的稳态精度，其中对300 Hz信号的误差抑制能力从内环的-14.3 dB增强到了-49.2 dB，这对APF谐波补偿有较大的意义。和没有前馈的双环系统相比，系统的

1只有内环 2双环

图10 双环控制抑制电网电压扰动的频率特性 Fig. 10 Bode plots of double-loop control suppressing grid

disturbance

一种基于相位滞后的并网变流器电流双环控制方法

- 132 - 电力系统保护与控制

双环控制对电网谐波电压较好的抑制能力对于并网逆变器具有重要意义。它能够较好地抑制电网5、7次谐波电压造成的影响，保证输出电流波形质量。

4 实验结果与分析

为了验证上述分析，将相位滞后控制、直接重复控制和双环控制这三种控制方法进行对比实验。并网变流器主要电路参数为：三相电网电压40 V/50 Hz，电网电感Ls=0.03 mH；直流母线电压Udc=110 V，直流母线电容Cdc=2 mF；开关频率fSW=15 kHz，采样频率fS=30 kHz；L1=0.15 mH，L2=0.08 mH，C=8 μF，Rd=0.005 Ω；用于APF性能验证的模拟非线性负载：三相整流桥，负载电阻RL=2 。示波器为Tektronix的DPO4032，利用WaveStar软件进行频谱分析。控制芯片采用TI公司的TMS320F2812 32位定点DSP，主频150 MHz。

图11是三种电流控制方式下并网变流器输出有效值14 A的感性无功的电流波形对比。相位滞后控制受死区的影响，波形存在明显畸变。直接重复控制和双环控制的电网电流具有较好的正弦度。

6 %。电网电流还出现了3.1 %的2次谐波，这是由电流检测通道的不对称引入的。采用直接重复控制，电网电流波形有了较大改善，正弦度较好，其THD下降为3.45 %，5、7次谐波含量分别下降到0.65 %、0.68 %。采用双环控制，电网电流THD进一步下降到2.24 %。

i20A/格

L

i20A/格

L

i

s

i

s

10ms/格10ms/格

（1）相位滞后控制 （2）直接重复控制

i20A/格

L

i

s

10ms/格（3）双环控制

图12 三种电流控制方法谐波应用稳态波形对比 Fig.12 Current waveform comparisons in harmonic application

8A/格

8A/格

21.717.4

10.617.48.56.44.22.1

2

10

18

26n

34

4250

2

10

18

26n

34

4250

THD/

%

13.08.74.30.0

10ms/

格10ms/格

（1）相位滞后控制 （2）直接重复控制

（1）补偿前 （2）相位滞后控制

8A/格

2.8

2.2THD/

%

1.81.41.10.70.40.0

2

1018

26n

34

4250

2

10

18

26n

34

4250

1.71.10.60.0

10ms/格（3）双环控制

图11 三种电流控制方法正弦波应用稳态性能对比 Fig.11 Current waveform comparisons in fundamental

application

（3）直接重复控制 （4）双环控制

图13 三种电流控制方法谐波补偿频谱对比 Fig.13 Grid current spectrum comparisons in harmonic

application

图12、13是三种电流控制方法应用于并联APF的稳 …… 此处隐藏：3205字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……