《电子技术应用》

电流预测无差拍在三相并网逆变器中研究

2016年电子技术应用第8期 作者:陈 荣1,2,何松原2
2016/12/6 14:58:00

  陈  荣1,2,何松原2

  (1.盐城工学院 电气学院,江苏 盐城224051;2.江苏大学 电气信息工程学院,江苏 镇江212013)

  摘  要: 针对传统的无差拍控制器在控制上的延时,同时为进一步解决静态误差、抗干扰等问题,提出了一种预测电流无差拍功率解耦控制结合SVPWM调制的策略。新的无差拍控制器在电流内环控制上可以很好地解决三相电压型逆变器在并网运行时锁相问题。在PSIM软件下对三相并网逆变器进行建模,利用无差拍方法对输出电流跟踪与dq坐标系下电网电压定向对功率解耦,从而控制逆变器的输出功率。仿真和实验结果证实此方法在逆变器并网锁相时具有良好的效果。

  关键词: 无差拍;SVPWM;并网逆变器;功率解耦

0 引言

  现今,化石燃料正在逐渐枯竭,人们在利用传统能源的同时带来了一系列环境问题成为不可忽视的焦点。以风能发电、太阳能发电为主的新能源发电,正逐渐成为人类供电系统中不可或缺的成员[1]。而逆变器是连接分布式发电系统和电网的桥梁,它的并网效果将会关系到整个网络。因为电网对注入其中的电流波形有着严格的要求,尤其是各次谐波含量,所以对于电压型并网逆变器的拓扑结构和控制方式,调节入网电流就变得尤为重要。

  针对三相逆变器,一般选择用SPWM方法调制,现在多用SVPWM。电压型逆变器电流控制是为了可以获得一个适当的带宽,对参考电流进行实时准确追踪。三相并网逆变器交流内环通常是对电流调节,电流内环调节通常有多种方法,有滞环控制、dq下的PI控制、αβ下的PR控制、无差拍控制等[2]。文献[3]提出的滞环控制虽有很快的动态响应,但会产生很大的稳态误差[4],环宽会影响电路的可靠性。dq坐标系下的PI控制,入网电流作dq轴分解,虽然PI控制器原理简单,易于实现,但是其参数需要不断地试验总结才能取得很好的性能[5-7]。PR控制器虽然可以做到无静差跟踪,但实际应用中PR控制器设计起来比较麻烦,也很难实现。无差拍是一种数字化处理方法,它是对逆变器输出电流先进行离散采样处理,然后与参考电流进行比较,差值经过无差拍调节就可以实时无误地追踪上参考电流[8]。无差拍电流控制器结合SVPWM调制技术,能够使得逆变器输出电流的畸变和脉动都比较小[9-11]。采用这种方式进行调制,可以进一步减小静态误差,使得逆变器输出电压和电流的谐波含量也比较小[12]。

1 电流预测无差拍原理

  三相电压型并网逆变器的拓扑结构如图1所示。

图像 002.png

图1  三相电压型并网逆变器拓扑结构

  认为三相电网电压平衡(ea+eb+ec=0),输入电压Ud,V1~V6是6个功率管,Usa、Usb、Usc是三个桥臂电压,ea、eb、ec为网侧电压,ia、ib、ic为并网电流,根据KVL:

  QQ图片20161206150929.png

  对上式进行离散采样,

  QQ图片20161206150932.png

  以A相为例,采样周期为Ts,设k时刻采样输出电流ia(k),给定参考电流为QQ图片20161206151131.png两者差值QQ图片20161206151133.png则:

  QQ图片20161206150936.png

  对于k+1时刻,逆变器A相输出电流有:

  QQ图片20161206150939.png

  电流预测无差拍的主要思想:第k个采样周期开始时刻kTs,采样得到实际电流ia(k),与给定电流值QQ图片20161206151224.png相比较,经过PI调节器计算出相应的电压差值,再与输出电压计算得到参考电压QQ图片20161206151312.png最后获得最优的电压矢量u(k),然后通过SVPWM方法合成这一电压矢量[13],使得在(k+1)Ts时刻的输出电流能够跟踪上参考电流,即Δia(k+1)=0,但在实际系统中,由于存在电流、电压采样、PWM占空比更新和电感滤波延时等,往往达不到理想状态下的预期效果。k时刻开始对电压、电流进行采样计算,最后在k+1时刻给出预测信号,而该信号真正是k+1与k+2之间输出,比理论晚了一拍,这将减少系统的可靠性,影响系统的带宽,所以为了提高控制器的性能,就必须进行补偿[14],必须去预测k+2采样时刻的电流。

  同理可得A相k+2时刻电流:

  QQ图片20161206150943.png

  结合式(5)、式(2),可得,

  uQQ图片20161206150946.png

  根据文献[14],当PWM采样频率相对于电网基频比较小,可认为电网电压不变。根据输入侧电压和逆变器三个桥臂电压关系,可得输出电压usα(k),usβ(k)。

  QQ图片20161206150949.png

  QQ图片20161206150953.png

  开关状态Sx(Sx=1为上桥臂导通,Sx=0为下桥臂导通),结合式(6)、式(7)、式(8)可得出usα(k+1),usβ(k+1)。

2 仿真验证

  在PSIM软件中建立系统模型,在PSIM中调用动态链接库DLL文件,使用C语言编程实现无差拍控制。母线电压为外环,交流电流为内环。仿真参数:直流输入电压650 V,交流侧电压有效值220 V,频率50 Hz,功率器件开关频率10 kHz,滤波电感3 mH,交流侧电阻0.1 Ω。

  对并网电流离散采样跟踪及部分放大图如图2所示,交流给定电流幅值5 A,周期0.02 s。

图像 003.png

图2  离散采样跟踪电流波形

  图3是A、B、C相入网电流仿真图,幅值6 A,频率50 Hz。可以看出,在无差拍控制方法下电流从开始到稳定运行需要经过大约0.01 s的波动时间段。图中波形显示清晰,三相输出电流走势平稳,波形一致,没有较大的波动,说明系统运行良好稳定。

图像 004.png

图3  三相电流波形

3 实验

  为了更好地验证该控制策略的可行性和可靠性,研制了一台3 kVA样机,处理器使用了TI公司的TMS320F2812,功率器件使用了IR公司型号为IRFP460的MOSFET。实验参数与仿真参数一致。

  实际样机的实验如图4所示,系统满载稳态运行时,开关管的输出实验波形如图4(a)所示,ea峰值310 V(有效值220 V),ia峰值7 A(有效值5 A),三相满载总功率达到3 kVA,功率因数为0.996,图4(b)为逆变器滤波前后的输出电压。可以看出,采用电流预测无差拍方法制作的样机稳态运行情况良好,系统锁相稳定,完成预期设定目标。

图像 005.png

(a)并网电流和输出电压

图像 006.png

(b)半载时输出电压

图4  电压、电流同步波形

  图5是在三相电网电压不变、纯阻性负载的情况下,突加突卸电流至额定值时的波形,负载在第三个工频周期开始加入,随后控制器介入调节,由图看出,在很短时间内达到稳态。系统稳态工作状态下突卸电流时,图中波形为在第两个半工频周期的时候突然撤去负载时测出的电流波形图。

图像 007.png

图5  进网电流突加突卸时的波形

  从系统突加突卸电流的动态特性可以看出,系统有较好的鲁棒性,说明了无差拍调节效果良好,此控制方法能加快系统的暂态过程,使系统快速达到另一个可靠运行的稳定点。

  由于基于电流预测无差功率解耦控制策略将电网电压与并网电流实现了双闭环控制,可以通过控制id和iq,就可以控制系统的输出能量和功率因数。对电流的解耦,改变直轴电流和交轴电流的分量,达到了调节并网功率和电能质量的效果。

4 结论

  本文从理论和实验上对电流预测无差拍功率解耦方法仔细分析,结合SVPWM技术应用到3 kVA样机中。从仿真和实验结果来看,该方法能够进一步解决静态误差、抗干扰等问题,同时也可以看出该控制策略具有良好的稳态特性和动态特性,可以实现对给定电流进行快速精确地跟踪,锁相波形效果良好。对直轴电流的调节,可以实现以单位功率因数工作、无功补偿等,而且操控易于实现,是一种有效的并网策略。

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