逆變器的控制策略分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u115651.1逆變器控制策略 1108451.2電流控制方式 1247041.2.1定時電流瞬時值控制方式 1179671.2.2滯環電流瞬時值控制方式 223771.3電流內環控制 3323121.4電壓外環控制 51.1逆變器控制策略此次逆變器的控制策略選擇電流內環和電壓外環的控制策略。電流內環控制的目的是使逆變器輸出電流的相位和頻率與電網的相位和頻率保持一致，電壓外環控制的目的是使直流母線上的電壓保持穩定。系統的控制框圖如圖1.1所示。圖1.1逆變器控制框圖1.2電流控制方式此次設計的光伏并網逆變器，電流環對整個逆變器的效率影響是非常大的，所以電流閉環控制策略要盡量保證輸出電流和電網電壓電流同頻同相，從而可以提高并網的功率因數。電流的控制方式主要有滯環電流瞬時值控制方式，定時電流瞬時值控制方式，三角波比較方式。下面對這幾種方法做一個比較，選出此次設計所使用的控制方式。1.2.1定時電流瞬時值控制方式在這種控制方式下，首先把逆變器輸出的實際電流與參考電流做差，得到一個差值，之后把得到的這個值送入到比較器，比較器時鐘的每一個周期會對偏差進行比較，做出判斷，就可以輸出PWM信號。PWM信號的頻率與時鐘信號頻率的關系是：時鐘頻率大于PWM信號頻率的2倍。這種控制方式的缺點是控制精度不高，原理圖如下圖1.2所示。圖1.2定時電流瞬時值控制方式1.2.2滯環電流瞬時值控制方式和定時電流瞬時值控制方式一樣，這種控制方式的工作過程也是將光伏逆變器輸出的實際電流與參考電流做一個差值，之后就將這個得到的差值輸入到比較器中，比較器然后就會輸出PWM信號，經過驅動放大電路控制IGBT的通斷，實現對逆變器輸出電流的控制。圖1.3滯環電流瞬時值控制方式滯環電流瞬時值控制方式的原理圖如上圖1.3所示，滯環電流瞬時值這種控制方式有以下優點：不需要載波，控制方法容易實現；電流響應迅速，可以實現對電網諧波電流的迅速補償；跟蹤誤差較小，可通過設置環寬大小將誤差設定在一定范圍內；是閉環控制，有很強的穩定性能。滯環電流控制雖然有上述優點但是也存在以下缺點:在采用傳統滯環控制方法中，電流跟蹤的精度與滯環寬度的大小密切相關，如果滯環寬度很大，可以使開關的工作頻率與損耗在很大程度上有一定的降低，同時補償性能也會降低，誤差增大;反之，滯環寬度太小，可以跟好的對電流進行跟蹤控制，但開關的工作頻率與損耗都會大幅度增加，對開關器件的最高工作頻率也有相應的要求，如果把環寬設定為某一數值，跟蹤電流就會圍繞實際電流在一個小范圍內波動，但此時大功率開關器件的工作領率卻是不穩定的，而且可能變化很大，這就提高了對開關器件的要求。1.2.3三角波控制方式把參考電流和實際電流相比較，求出偏差，將差值經過放大器放大，再去和固定頻率的三角波相比較，產生PWM波形。圖1.4三角波控制方式三角波控制方式的原理圖如上圖1.4所示。采用三角波比較法的電流跟蹤型PWM逆變電路的特點是開關頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器設計方便；和滯環電流瞬時值相比，這種方式的電流輸出所含的諧波少。此次設計選用此方法。1.3電流內環控制對于此次設計的單相全橋逆變電路，存在以下的電壓關系： （3-1）在上式中，R表示濾波電感的電阻?？梢詫⒛孀兤鬏敵龅碾娏鞅硎緸橐韵碌氖阶樱? （3-2）濾波器的傳遞函數可以表示為： （3-3）當一些非線性因素可以忽略時，逆變電路和脈寬調制器的數學模型可以等效為一個慣性環節，可以表示為： （3-4）在上式中，表示逆變器的增益，表示功率器件IGBT的一個開關周期。在上面三個式子的基礎上，可以畫出電流內環控制的控制框圖，如下圖1.5所示：圖1.5電流內環控制框圖在上面的框圖中，表示電流控制環節。通過上面的框圖，可以寫出逆變器輸出的電流的傳遞函數： （3-5）從上式不難看出，電網電壓也是影響并網電流的重要因素，在并網時，這種不利的因素越小越好，因此采用電網電壓前饋控制來減少這種不利的影響，當加入電網電壓前饋控制時，系統的框圖如下圖1.6所示：圖1.6加入電網電壓前饋控制的電流環框圖在上圖中，比未加電網電壓前饋控制的框圖多了一個G4環節，那么這個G4環節就是電網電壓前饋補償環節的傳遞函數。在未加電網電壓前饋補償環節時，從3-5式可以看出電網電壓對并網電流的影響是： （3-6）同理，根據圖1.6的框圖，可以求出在加入了電網電壓前饋控制之后，電網電壓對并網電流影響是： （3-7）從上式中可以看出，要消除電網電壓對并網電流的影響，就得使式3-7中的分子為零，分子的兩個部分中，是不為零的，那么只有后面的一部分為零時，可以消除電網電壓對并網電流的影響，可以表達為： （3-8） （3-9）滿足式3-9的條件時，電網電壓對并網電流的影響就可以消除，此時： （3-10）由于已經采用了電網電壓前饋控制，所以在設計電流控制器的過程中，便不再考慮電網電壓的影響。由于系統的頻率為50HZ，所以系統的一個基波周期為20ms，而逆變器的開關周期遠遠小于基波周期，在這種條件下，可以忽略逆變器的傳遞函數，為控制器的設計提供便利。此次設計采用PI控制器，結構簡單易懂，應用廣泛，它的傳遞函數表示為： （3-11）PI控制器是一種線性控制器，它根據給定值與實際輸出值構成控制偏差，將偏差的比例和積分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。PI控制器各個環節的作用可以描述為：比例環節的作用是即時成比例的反映控制系統的偏差信號，如果偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。通常隨著比例常數的加大，閉環系統的超調量加大，系統響應速度加快，但是當增加到一定程度，系統會變得不穩定。積分環節的作用是主要用于消除靜差，提高系統的無差度，積分作用的強弱取決于積分常數，積分常數越大，積分作用越強；反之越弱，閉環系統的超調量越小，系統的響應速度越慢。根據以上的分析，電流環的開環傳遞函數可以表達為： （3-12）電流環的閉環傳遞函數可以表達為： （3-13）根據式3-13，可以寫出閉環傳遞函數的幅頻，相頻特性為： （3-14）在上式中，幅頻特性表示在給定的頻率下，系統對幅值的跟蹤能力，那么判斷控制能力好不好就是看它的值是否接近于1，當它越接近1，則控制性能就越好。相頻特性表示在給定的頻率下，系統對相位的跟蹤能力，同理，判斷相頻特性好不好就是看它是否和0接近，越接近于0，那么它的相頻特性就越好。為了盡量式相頻特性接近于1，使幅頻特性接近于0，取，。在工頻下，可以將系統的幅值增益表達為以下式子： （3-15）可以將此時的相角偏移表示為： （3-16）從上面的結果看，系統的控制效果是比較好的，一個控制系統要穩，準，快三個條件都達到，這樣才能有著良好的控制性能。下面來分析系統的穩定性，根據已有參數，寫出電流環的特征方程為： （3-17）解得，。由于系統穩定的充分必要條件是其特征方程的所有根均在復平面的左半平面，電流環的特征方程的根滿足條件，所以系統是穩定的。1.4電壓外環控制電壓外環控制的目的是使直流母線上的電壓穩定，直流母線上的電壓就是電容C上的電壓，對母線電壓的控制就是對電容的充放電。濾波電容上的電壓有兩部分，分別是流入電容的電流Ipv和流出電容的電流Idc。直流母線的電壓可以表示為： （3-18）對直流母線電壓的控制方式采樣PI控制，控制框圖如下圖1.7所示：圖1.7電壓外環控制框圖在電流和電壓組成的雙閉環控制系統