（电力电子与电力传动专业论文）燃料电池并网逆变器的控制与保护.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，r e s e a r c ho hr e n e w a b l ee n e r g ya n dd i s t r i b u t e dp o w e rg e n e r a t i o nh a s d r a w nm o r ea n dm o l ea t t e n t i o n sb c a t a u s eo ft h el a c ko fe n e r g y , p o l l u t i o na n d d i s a d v a n t a g eo fc e n t r a l i z e dp o w e rs u p p l y t h ec o n t r o la n d 班d - c o u n e c t e dp r o t e c t i o n o fi n v e r t e r , a l li m p o r t a u tp a r to fd i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m ，b e c o m e sa ni n t e r n a t i o n a l h o t s p o to fr c s e a r c h af u e lc e l l g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r , w h i c h c a l lw o r ki ns t a n d - a l o n eo r g r i d - c o n n e c t e dm o d e ，i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i tc a nw o r ki ns t a n d a l o n em o d et o s u p p l yt h el o c a ll o a dw h i l ei ng r i d - c o n n e c t e dm o d e t oo f f e rp o w e rt ot h e 鲥d f i r s t l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e st h eb a c k g r o u n do f r e s e a r c ho ng r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r , i n c l u d i n gt h ei n t r o d u c t i o no f d i s t r i b u t e dp o w e rg e n e r a t i o n ，s t r u c t u r eo f g r i d c o n n e c t e d f u e lc e l ls y s t e m ，s t a n d a r do fg r i d - c o u n e c t e db yi e e e , c t c , a n dg i v e sc o m p a r i s o n a m o n gm a n yc o n 仃= o lm e t h o d so fi n v e r t e ro u t p u tc u r r e n t , a n da n a l y z e sc o n t r o lm e t h o d s o fi n s t a n c ev o l t a g ei u n e r - l o o pa n da v e r a g ev o l t a g eo u t e r - l o o pa n dt c c h u o l o g yo f d i g i t a lp h a s el o c ki nd e t a i l s e c o n d l y , ac u r r e n tc o n t r o lm e t h o db a s e do na c t i v eo r r e a c t i v ec u r r e n t , w i t hw h i c ht h em a g n i t u d ea n dp h a s ec a nb ec o n t r o l l e de f f e c t i v e l y , i s p r o p o s e di nt h i sp a p e r t h i r d l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h em o d e lo fi s l a n d i n gd e t e c t i o n f o rf u e lc e l ls y s t e m ，p r o p o s e si s l a n d i n gd e t e c t i o nm e t h o db a s e do no u t p u tp o w e r v a r i a t i o nw h i c hh a sb e e nt h e o r ya n a l y z e da n de m u l a t e d f i n a l l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ed e s i g nf o ra5 k wf u e lc e l lg r i d - c o u n e c t e di n v e r t e ra n dg i v e se x p e r i m e n tr e s u l t so f s t a n d a l o n e , g r i d - c o n n e c t e da n da n t i - i s l a n d i n gd e t e c t i o n k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dp o w e rg e n e r a t i o n ；c u r r e n tc o n t r o l ；i s l a n d i n gd e t e c t i o n 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 燃料电池并网发电系统简介 i i 1 应用背景 近年来，由于能源紧缺、环境污染以及集中式供电存在的种种缺陷，太阳能、 风能以及燃料电池等分布式能源越来越受到人们的重视i 。分布式发电系统的主 要作用是提高供电可靠性，可在电网崩溃和意外灾害情况下保证重要用户的安全 工作，同时对于集中式供电无法涵盖的偏远地区，分布式发电有其不可替代的作 用。分布式发电系统将是未来“微电网”( m i c r o 鲥d ) 的重要组成部分，是未来电 力市场中一种有竞争力的发电方式，对于我国国民经济生产具有重大意义。 燃料电池是将化学反应中产生的化学能直接转化为电能的电化学装置。燃料 电池具有燃料利用效率高、燃料选取广泛、功率密度大、环保无污染、容量可根 据需要而定等多种优点1 2 1 ，可以作为并网发电装置与后备电源应用，受到了各方 面的极大关注。特别在分布式发电系统中，燃料电池与太阳能、风能、水能等可 再生能源相比由于不受地域等因素的限制，更适合应用于一些特定场合和保证关 键负荷的运行，因此燃料电池并网发电系统具有广泛的应用背景。 1 1 2 系统结构 名 0 笛 图i = 1 燃料电池并网发电系统结构图 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 燃料电池输出为不恒定的直流电，因此需要配备功率变换器得至4 交流电以供 本地负载运行或者并网发电。本系统研究的燃料电池输出电压范围为8 0 v 1 1 0 v ，系统结构如图卜1 所示，燃料电池经过前级的隔离d c d c 变换器升压后 作为后级半桥逆变器直流输入或给本地负载供电，超级电容和双向d c d c 变换 器是在负载突变时提供负载所需的能量来保证燃料电池的输出电流平稳上升保 护电池不受损伤。 1 1 3 并网标准 随着分布式系统的发展，越来越多的分布式发电系统连接到电网上，在一定 程度上对电网产生影响。因此国际上相关部门针对分布式发电系统制定了一系列 的技术尺度和并网要求。2 0 0 3 年6 月发布的i e e es t d1 5 4 7 - 2 0 0 3 是第一个规范分布 式电源系统并网的标准，表1 - 1 所示是与本系统设计相关的几个重要技术指标和 要求嘲。 表1 - 1 燃料电池分布式系统并网标准 电压范围 v 5 0 5 0 、氏8 8 8 8 一，、 c 1 1 0 l l o 1 3 7 反应时间 o 1 6 2 正常运行 1o 1 6 ( s ) 频率范围 f 5 9 35 9 3 f 6 0 5b 6 0 5 删盼 反应时问0 1 6 正常运行 o 1 6 谐波次数 h l l 1 1 h 1 71 7 h 2 32 3 h 3 53 5 h 总谐波 谐波含量 4 0 2 o1 5o 60 35 ( ) 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 燃料电池并网逆变器控制 1 2 1 并网控制特点 逆变器是燃料电池分布式发电系统中的重要组成部分，它将由前级d c d c 变换器提供的直流电能转换为交流电能提供本地负载运行或者通过并网发电的 方式将能量馈给电网。由于逆变器工作于独立运行和并网运行两种模式，当工作 于独立运行模式时控制输出电压波形的质量，当工作于并网运行模式时控制输出 电流波形的质量，因此对于逆变器控制的研究是本系统的一个难点，也是本论文 的重点之一。 当逆变器工作于独立运行模式时相当予u p s 后备电源的功能 4 1 ，其电压控制 的方法较为成熟也不是本论文研究的重点，因此不在此赘述。 相对于独立运行电压控制的方法，并网运行的控制方式更为复杂。一般并网 系统( 光伏、燃料电池等) 通过直流变换器得到恒定的直流侧电压，因此普遍采 用电压型逆变器( v o l t a g e s o u r c e i n v e r t e r ) 。由于电流型逆变器( c u r r e n t s o u r c e i n v e r t e r ) 需要输入端有大电感，提高了成本，同时提高了前级直流变换器的要求， 并且c s i 的保护更加复杂，因此电压型的变换器应用更加广泛。v s i 输出电压的 控制可以直接通过控制开关管的通断来实现，但输出电流的控制其实是通过控制 电压来间接控制电流的，同时电流控制还受到电网电压的影响，因此需要更加复 杂的控制方法。而且相对于独立运行，并网运行的结构更为复杂，输出滤波器由 l c 的两阶结构变为l c l 的三阶结构，复杂的系统结构自然对控制提出了更高的 要求啊【6 l 。 并网输出控制可以分为电压控制和电流控制，采用电压控制时系统两个电压 源并联，容易产生环流，要保证系统稳定运行需要控制输出电压与市电锁相，通 过调节输出电压的幅值和相位来控制输出功率。采用电流控制时控制输出电流跟 踪市电电压，直接设定电流的幅值和相位，比采用电压控制方便、直接，效果也 好。随着分布式系统研究的发展，电流控制的电压型逆变器应用也越来越广泛， 因此也对其提出了具有快速响应、高控制精度、高性能的要求，同时伴随着低成 本、高可靠性与高质量的要求。 3 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 并网控制方法 并网逆变器通常采用电流控制的方式控制馈入电网的电流。逆变器电流控制 具有其独特的应用性而受到广泛的关注，一些特定的交流负载当逆变器工作于电 流控制模式时显示出比电压控制模式更好的特性，比如可以减小电机对于定子参 数的依赖性实现转矩的快速响应等，u p s 系统增加电流环可以提高系统的稳定性 同时起到限流和短路保护作用。 三相电压型逆变器控制通常采取两级控制环路的方式，内环为一速度较快的 电流环，通过内环调整输出电流，外环为一电压环控制直流侧电压。电流环主要 作用为控制输出电能质量、电流保护、谐波补偿和动态响应等。另外也有外环电 压环内环功率环的控制方式，通过控制有功无功的方法间接的控制输出电流 7 1 。 电压型逆变器电流控制方式可分为以下几类：滞环控制、线性控制、预估计 控制、d e l t a 控制、模糊控制等嗍，其中滞环控制与线性控制是研究最广泛也是应 用最普遍的控制方式。 电流滞环控制 电流滞环控制是一种并网电源系统中使用较多的控制方法，控制框图如图 卜2 所示。美国b o s e 公司的t h o m a saf r o e s c m e 与1 9 6 7 年首次提出了电流控 制两态调制技术( 滞环电流控制技术) ，后得到很大发展和应用。它通过将逆交 器的输出电流( 或者电网电流) 的瞬时值反馈电流哥和参考电流汀相比较，得 到的电流误差出与滞环宽度相比较，当a h 2 时开通功率开关，使得f ，上升，开关管导通时间或者关断时间由环宽 ( h 2 - h 1 ) 历：决定。这样就可以使得输出和参考给定在一定的误差范围内。滞环控制 对逆变输出电流采取直接控制的方式，实现起来比较简单，稳定性好。但是其明 显的缺陷在于开关频率不固定，当主电路参数及负载参数变化时，开关频率会随 之改变，不利于输出滤波设计和谐波消除。当应用于三相系统时如果各相都独立 控制，则相互之间对于电流控制还会产生影响，通过空间矢量的方法可以对此进 行改善。现在也有一些改进的滞环控制方式，比如改变滞环的带宽使得开关频率 控制在一定的范围之内或者采用恒频的滞环控制等。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 4 f e 1 i - p h l 广t p w 翻信o i l 艟7 比 l r 图1 - 2 滞环电流控制框图 p i 控制 p i 调节电流控制由于其设计简单，参数易于整定等优点成为应用最广泛的电 流控制方式之一，其控制框图如图卜3 所示。它采用逆交输出电流( 或者电网电 流) 反馈，将电流基准信号与反馈信号的误差进行比例积分调节，得到p w m 控 制调制信号，经三角波比较产生固定频率的p 删波并控制逆变器输出相应的电 压，施加于滤波器和电网，产生电网电流。三相系统反馈电流一般为经过坐标变 换得到的直流电流分量，因此p i 调节器对于三相系统电流的基波分量具有无穷 大增益，可以获得很好的调制效果。对于单相逆变系统，由于其反馈电流为输出 电流的瞬时值，由控制理论可知对于正弦系统p i 调节不能够达到完全的无静差， 因此输出电流的稳态误差( 幅值与相位) 较大，不能及时跟踪正弦波给定电流。 图1 3p l 调节电流控制框图 通常可以通过引入电网电压前馈控制的方式来克服普通电流反馈p i 控制时 存在的稳态误差问题，如图卜3 中的虚线框所示，电网电压v g 乘以逆变桥路增 益l 【p w l 的倒数叠加到p i 调节器的输出，从而消除电网电压对电流控制环的影 响，使系统更加接近于一个无源跟随系统。该方法可观显改善输出电流的相位误 差，但也容易引入电网的畸变。 比例谐振控制f 9 1 1 1 q 【1 1 】【1 2 j 5 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 比例谐振控制的思想最早源于日本学者s a m 等的研究。对于三相p w m 整流 器的电流控制，一般需要先将控制量进行3 2 变换，将三相静止坐标系的量转换 为两相旋转坐标量，然后进行p l 运算，最后进行2 3 变换转换为各相的控制量。 为了省去在计算中的两次变换，同时又保持输入电流对参考电流的良好跟踪。 s a t o 等提出了利用数字系统实现一种无损谐振环节，使得控制量在谐振频率处具 有无限大的增益，实现消除稳态误差的目的。控制如图1 - 4 所示。 图1 4 输入电流控制框图 传统的p i 控制器为： q o ) 。k ，+ 里( 1 - 1 ) 加入无损谐振环节后的控制器为： 以 母责 ( 1 2 ) 由上式可以看出控制器具有两个极点，会使得系统回路增益的相角裕量很 小，引起系统的不稳定。因此h o l m e s 等对该控制器进行改造，增加一个零点， 得出为： 巧+ 南 ( 1 - 3 ) 上式即为比例谐振( p r e s o n a n t ) 控制器算式，单相逆变系统p r 控制框图如 图卜5 所示，通过p r 的控制使得单相逆交系统对于输出电流在基波频率处达到 无穷大增益，实现与给定电流的无静差跟踪，同时可以通过配置某次谐波控制器 g 喇的方法消除输出电流中的地i 次谐波含量，如图卜5 中的虚线框所示。 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图i - 5 比例谐振控制框图 重复控制 重复控制来源于控制理论的内模原理，其控制框图如图1 - 6 所示，它通过对 误差信号的逐周期累加控制，稳态时能够对周期性的正弦给定信号实现无静差跟 踪，而且输出波形畸变率小。但由于对误差的跟踪控制滞后一个给定信号周期， 因而重复控制动态性能较差。因此，为了抑制电网等的瞬时扰动，在实际应用中 重复控制一般与其它控制策略相结合，以得到较好的输出波形和动态响应。 图i - 6 重复控制框图 功率控制 并网系统除了直接控制输出电流之外也可以通过控制输出功率的方法间接 的控制输出电流i 捌。控制框图如图i - 7 所示，其中a 图为外环功率环内环电流环， 将有功功率无功功率的反馈值与给定值比较，经过补偿后的输出值经过运算得到 内环电流环的给定值。b 图为p - v 控制框图，通过有功功率p 的环路得到相角f ， 通过电压控制环路得到s p w m 所需的调制比m a 。 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 孤岛检测技术概述 1 3 1 背景 ( b ) 图1 - 7 功率控制框图 当分布式系统运行于并网发电模式时，并网的安全问题是值得关注的一个方 面，其中孤岛检测( i s l a n d i n gd e t e c t i o n ) 问题是现在引起国际上广泛关注的一个问 题1 1 4 1 。孤岛是指当电网由于故障、检修或者人为的其他问题而引起停电的时候， 包含有负载和分布式电源的局部电网从主电网中脱离出来，并且在此局部电网 中，分布式电源持续给负载供电的一种电气现象。分布式系统结构如图1 - 8 所示， 当电网正常时分布式系统与电网共同供给负载，当电网断电打开开关k 时，如 果没有检测出断电的状况，则分布式系统依然连接在公共耦合点( p c c ) 处运行。 相比一般的保护，孤岛检测更加复杂，对于系统的安全性、可靠性以及输出电能 的质量都将产生影响，而且现在并未有一个被普遍接受的既安全又有效同时兼顾 电能质量的孤岛检测方法，所以孤岛检测至今仍然是分布式系统的一个难题。 图1 - 8 分布式系统结构 8 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 产生孤岛状态的主要原因利1 5 】： ( 1 )电网检测到故障，打开断路器，而逆变器并没有检测到故障； ( 2 ) 设备故障引起系统正常供电中断： ( 3 )配电系统及负载的投切； ( 4 ) 电网维修时的故意断线； ( 5 ) 人为的操作失误或故意的破坏； ( 6 )自然灾害的作用。 逆变电源处于孤岛运行状态时会产生严重的后果： ( 1 )电网无法控制孤岛中的电压和频率，当其超过一定范围时可能损坏 用户设备； ( 2 )孤岛时分布式系统仍然向网侧负载供电使得线路带电，可能对维修 人员造成危险； ( 3 )非同相合闸时，可能会造成线路再次跳闸，或者产生很大的冲击电 流对逆变电源和其他与其相连的设备造成损坏； ( 4 )如果负载容量大于逆变电源容量，容易对逆变电源造成损害。 所以，不管是从安全性、可靠性，还是从电能质量方面考虑。分布式发电系 统都应具备防止孤岛产生的能力。将由于孤岛产生的危害降至最低是具有十分重 要的意义的。 逆变电源孤岛检测方法主要包括以下三大类：逆变电源内部无源方法、逆变 电源内部有源方法、逆变电源外部方法。其中逆变电源外部的方法通过与电网的 通讯或者在网侧插入阻抗来实现，因此不属于逆变器控制的范围。 1 3 2 过欠电压和高低频率保护法 内部无源方法主要是通过检测被选定的参数，并控制逆变器在条件满足时停 止并网运行，它又有以下几种方法1 1 4 1 1 5 】1 1 6 】【1 7 】：电压检测、频率检测、相位检测 和谐波检测。其中过欠电压和高低频率检测的方法是具有普遍意义的检测手段， 也是其他孤岛检测方法的基础。 燃料电池并网发电系统并网运行过程中，当逆变器输出功率与负载功率不匹 配时，如果发生孤岛状况，逆变器输出电压的幅值或者频率将发生变化，因此对 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 电网电压幅值、频率进行检测即可防止孤岛效应的发生。对电压、频率进行检测 的被动式孤岛检测方法只需利用已有的检测参数进行判断，无需增加检测电路。 该方法最大的缺点在于逆变器输出功率与负载功率平衡时，电网断电后逆变器输 出端电压和频率均保持不变或者变化范围在正常范围之内，此时分布式系统无法 判断孤岛的发生，因此被动的检测方法具有较大的非检测区。 1 3 3 内部有源方法 内部有源检测的方法是通过对逆变电源输出引进变化或扰动，促使孤岛时公 共耦合点的电压或频率离开额定工作点来实现的。如果这个微小的扰动能够使选 定的参数偏移到一定范围之外，那么它控制逆变器停止运行，它可分为功率扰动 和频率扰动两种方法。 输出功率扰动法 输出功率扰动法是通过对逆变器输出功率的控制，使系统输出的有功功率发 生周期性变化f 1 4 j 【1 9 l 。当孤岛效应发生时，逆变器输出端电压由于功率扰动出现 电压变化，从而检测出孤岛效应与否。为了降低对输出电能质量的影响，通常在 若干个工频周期中控制逆变器使其在一个或半个周波区间输出的功率变化。输出 功率扰动的方法在单台逆变器并网工作时是一种有效的孤岛检测方法，但当多台 逆交器并联的时候由于功率扰动的方向性不一致会引起扰动的效果减小，可能使 得检测失效。 输出频率扰动法 输出频率扰动是通过一定的方法使得电网电流的频率处于一个周期的变化 中。当电网电压正常时p c c 点的电压由电网电压钳位，因此频率不会发生大的 变化，当电网断电时p c c 点电压的频率跟随电网电流和r i c 负载的性质产生变 化，当变化超过一定范围时作出检测。 频率偏移法1 1 4 】【别( a f d ) 是一种常见的利用对逆变器输出频率做扰动从而检 测出孤岛状况的方法，它通过对逆变电源输出电流在过零处注入微小的畸变，当 系统处于孤岛状态时，这个畸变使得电压的频率上升或下降，再通过频率检测法 来检测孤岛的存在。a f d 的检测法会使输出电流波形畸变，降低逆变电源输出 电能质量，需要合理的设计参数，不影响系统的正常运行。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 滑模频率漂移法f 2 1 】【捌( s m s ) 是另一种有效的改变频率的方法，它控制p c c 点电压与电网电流之间的相角为p c c 点电压频率的函数，当发生孤岛时电压频 率一发生变化就引起相角变化形成正反馈的机理，最后稳定在一个新的工作点。 通过检测此时的频率来作出判断。 1 4 本论文目的以及主要的研究内容 本文研究燃料电池并网逆变器的控制方法以及孤岛检测技术，使得逆交器在 额定容量5 k w 稳定运行，网侧电流0 2 3 a 额定电流具有较好的控铝i 精度以及波 形质量。设计一种适合本系统的反孤岛检测方案。使得网侧负载在任何功率容量 下都能得到快速、准确、有效的检测，并且能安全的切换到独立运行模式，保证 本地负载的不间断供电。 第一章介绍了燃料电池并网发电系统的应用背景和本系统的结构与分布式 系统并网的标准，介绍了逆变器并网控制的一般方法以及孤岛检测技术的概况。 第二章分析了逆变器在并网发电运行模式下的电路结构以及控制模型。对电 流控制的方法做了分析，提出了一种基于有功无功电流环的电流控制方式，并 且给出了逆变器数字化实现的方法以及数字锁相的算法。 第三章介绍了孤岛检测的系统等效模型，并针对无源检测方法的缺点结合电 流控制的特点设计了基于功率扰动的一种有源检测方法。 第四章给出了燃料电池并网逆变器硬件的设计和主要程序的流程图，同时给 出了逆变器独立运行、并网运行以及孤岛检测的实验波形并做了分析。 1 1 新江大学硕士学位论文第二章燃料电池并网逆变器的控制 第二章燃料电池并网逆变器的控制 2 1并网运行逆变系统主电路 燃料电池并网逆变器需要兼备独立运行以及并网运行两种工作方式，在独立 运行状态下脱离电网供给本地负载，在并网运行状态下将多余的能量馈给电网， 并能在电网故障时脱离电网切换到独立运行状态，保证本地负载的不间断供电。 单相逆变系统结构框图如图2 - 1 所示，主要包括单相半桥逆变器、l c l 滤波器、 双向可控硅、采样调理电路、i g b t 驱动电路、s c r 驱动电路，e c a n 通讯接口 等。 图2 - 1 单相逆变系统结构框图 本系统前级是一全桥移相的d c d c 交换器，将燃料电池( f u e lc e l l ) 输出的 大约9 0 1 1 0 v 的直流电升压至3 7 5 v ，提供逆变器的直流母线电压。 逆变器是关于电能直交流变换的能量变换系统，运行于并网模式的时候由于 电网电压是基本上恒定的，因此对于电网电流有效的控制也就是有效的控制了能 量流动的大小和速度。本系统并网逆变器主电路拓扑如图2 2 所示，为一半桥逆 变器通过l c l 结构的滤波器在公共耦合点( f c c ) 连接电网。对于并网电感l 2 上电流的控制是并网系统控制的核心。 电胃 浙江大学硕士学位论文第二章燃料电池并网逆变器的控制 g m n 图2 - 2 并网逆变器主电路拓扑 为了降低电网电流的n d ，以及减小开关频率的纹波，因此使用了l c l 形 式的滤波器结构，相比单电感l 的滤波器，l c l 型滤波器在高频段有6 0 d b 的衰 减，大大增加了对高次谐波的抑制。特别是对于大功率系统不能选择较高的开关 频率时，依然有较高的谐波抑制能力。对于l c 结构的滤波器由于一般电网侧也 存在一定的线路电感，其实也可以等效的看成为l c l 结构的滤波器。由于i - c l 滤波器三阶的结构使得系统容易引起振荡，因此为了保证系统的稳定运行，需要 对控制有更高的要求| 5 1 f 6 1 2 3 1 。 2 2 并网控制被控对象模型 图2 - 3 滤波网络等效图 图2 - ：3 所示为l c l 滤波网络的等效斟2 町嘲，其中z 1 是滤波器逆变侧阻抗， z 2 是电网侧等效阻抗，包括电网线路阻抗和l c l 滤波器网侧电感，z 3 是滤波 电容阻抗与本地负载r 。定义逆变电流1 1 和网侧电流比相对于逆变电输出压 的增益分别为g i l - i ( s ) 和g 列( s ) ，而相对于电网电压v g 的增益分别为g i l 水) 和 g 砼小) ，可以得到并网控制的传递函数为： 浙江大学硕士学位论文第二章燃料电池并网逆变器的控制 g n _ i m 器一覆丽z 2 + z 3 g f ：j o ) 一丽1 2 ( s ) 一瓦巧z 丽3 瓯必) 器。瓦丽z 3 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) g ，2 。) - 端- 瓦瓦z x + 虿z 3 西 由于并网控制时我们更关注的是电流( 电网电流或者逆变输出电流) 与逆变 输出电压的关系，所以当阻抗z 1 、7 _ 2 和7 _ 3 用纯电感l 1 、l 2 和纯电容c 和本地 负载r 代替，即z 1 = l l $ , z 2 = l 2 s , z 3 = i ( c s + i r ) ，式( 2 1 ) 与仁2 ) 可以变换为； 瓯一器孟(i_赢a)l篆cs2+(1-a)ls+1 ， g ，2 枷器。云磊i 面1 瓯 撇 直) 啪 一 州 删 “ 麓 图2 - 4l c l 滤波器传递函数伯德图 1 4 浙江大学硕士学位论文第二章燃料电池并网逆变器的控制 由式( 2 6 ) 可以画出l c l 滤波器的传函伯德图如图弘4 所示，a 图为电阻r = 一，即为单纯的l c l 滤波器结构，b 图为电阻r = 1 0 q ，即本地负载5 k w 时的滤 波器伯德图，当选取不同的电感比例系数的时候，幅频特性相频特性有较大的变 化，从( a ) 图可以看出，当a = 0 5 即电感l i = l 2 时高频衰减最大，因此我们选 取网侧电感l 2 = l i = i 5 m h 。特别的当c - - 0 时i , c l 滤波器即退化为单电感l 滤波 器，可以看出在高频段只有2 0 d b 1 0 倍程的衰减，因此当选用单电感l 滤波器时 需要将开关频率设置很高才能有效的滤除开关频率的谐波。但是大功率变换器往 往其开关频率不高，因此l c l 结构的滤波器是抑制高频谐波比较好的选择。 2 3 加权电流控制法 由图2 - 4 的l c l 滤波器传函伯德图可以看出在l c l 转折频率出存在谐振峰 值，如果采用直接电网电流反馈，特别是本地负载很轻的时候，由于有此尖峰的 存在，限制了补偿函数的选取，当采用p i 补偿器时只能选取较小的比例系数使 得系统稳定运行。由于对于正弦信号p i 补偿器不能达到完全的无静差，同时随 着比例系数的减小系统低频幅值增益减小，稳态误差进一步加大，同时谐波抑制 能力也降低，不利于系统的控制。 电流加权平均法是一种新颖的电流控制方法，它采用并网电流与电容电流的 加权平均值作为反馈电流控制f 2 回： ：- i 2 + ( 1 一声) ( 2 - 7 ) 其中b 为加权的权值系数，由f c - 1 一2 一可以将式( 2 7 ) 进一步改写为： 2 0 - p ) 日+ p i 2 - 0 - 声) i ( 2 - 8 ) 由于电容电流i c 与负载电流j r 的关系为： 亳。幔( 2 - 9 ) 可以得到： 1 ( f l 一乏一) 二- r ( 2 - l o ) s o 上式化简为； - 丽1 - - 1 2 ( 2 - 1 1 ) 浙江大学硕士学位论文第二章燃料电池并网逆变器的控制 2 耳+ 绰乞 1 + 二1 + 二( 2 - 1 2 ) r c sr c s 。o - 芦) r c s + 1 + l ? r c s 厶 1 + r d 1 1 + r 凸 将式( 2 - 5 ) 与式( 2 6 ) 代入式( 2 1 2 ) 可以得到电流力权法控制的传递函数为： g m _ a 加揣 悫1竺(1-a筹)al2cs孥(1-a，al：c ， 1 + 而3 + 百一s 2 + 厶 。 ! 二! 竺竺：竺笠兰：盍：! l s f a o - - 口) l c 2 8 3 + o - - a k ) a l c ( 1 + c p 2 + ( c + ! ! 二j ；：丝p + 去】 电流加权平均法的系统等效控制框图如图2 - 5 所示： 图2 - 5 电流加权平均控制系统等效控制框图 图2 5 * - g p i ( s ) 为加权电流p i 调节器，g i l 巧( s ) 为被控系统传递函数，g p w m ( s ) 为p w m 逆变器的增益。 1 g ，o ) 。耳( 1 + 砻( 2 - 1 4 ) g ，w o ) - e e 。枷( 2 1 5 ) 其中：k p 为比例增益，面为积分常数，e 为逆变器直流侧电压，t d 为采样 与开关引起的延时。 在式( 2 1 3 ) q a 当选取电流加权系数b = i a 的时候g ，：，q ) 可化简为： 浙江大学硕士学位论文第二章燃料电池并网逆变器的控钼 g n 2 j m 锗 ! 竺竺! ：竺：! ：盍 厶【a ( 1 - 口) l c 2 ，+ 2 a ( 1 - - r a ) l c s 2 + ( c + 华p + 芦1 l _ 1 【1 一石面再a ( 1 - - 每a ) l c 巫矗积 s z + 箜罩望s 争赢繇， 一1 r 丽面i o + 蕊r c s ) 巧等s l s 丽爿 ( 1 + 胄。弘0 2 + ( 1 + 矗o ) 等s + ( 1 + r o ) - 扣赢- - $ p 均 等删i i 吼1 i i ( 2 - 1 7 ) 胁羔- 姜 g i l 2 - i ( s ) 可以简化为一阶系统： ”器一i 1 1 7 浙江大学硕士学位论文第二章燃料电池并网逆变器的控制 不再出现谐振峰值，这样就使得p i 补偿函数可以取较大的比例增益，提高了系 统的回路增益，增强了谐波抑制能力。特别是从图2 4 的比较可以知道在本地负 载越轻即电阻r 越大的时候l c l 滤波器的谐振峰值越高，因此加权电流的控制 方法的优点对于本地负载轻载特别是空载时效果更显著。同时该控制方案无需复 杂的计算以及坐标变换，通过选取适当的滤波器参数贝在一定的功率等级范围内 该方法都是有效的，因此是比较适用于单相逆变控制系统的。 相位 ( 度) ：= 州a z t t 搬g l i 反曩mi 2 ：l 斗 口) 、 图2 - 6 电流控制并网逆变器的开环传递函数伯德图 2 4 有功无功电流控制法 当采用加权电流瞬时值环控制时，虽然增大了电网电流控制的幅值与相位精 度，但当输出电网电流较小时仍然存在一定的误差，特别是由于引入电容电流而 造成小电流时相差较大( 大电流时电容电流相对电网电流很小，所以相差影响不 大) ，如图2 7 所示为电网电流1 5 a 时候的实验情况，有大约3 0 的相差。为消 除相差，并网系统一般采用电网电压反馈的控制方法，减小电网对控制的影响使 得系统近似为一个无源跟踪的系统，但是这种方法容易引入电网电压的谐波成 分，无法满足高控制精度的要求。 浙江大学硕士学位论文第二章燃料电池并网逆变嚣的控制 图2 - 7 并网电流波形 ( c h i ：逆变输出电压v o2 0 0 v d i v ；c h 2 ：电网电流i g9 a d i v ；t ：5 m s d i v ) 为解决这个问题，我们提出了在加权电流瞬时值内环的基础上增加一个有功 电流，无功电流外环的控制方案来增强电流控制的精度，使得系统输出的有功电 流无功电流值通过外环的调节跟踪给定值，并将外环的输出值作为内环的给定值 做计算。这样的控制方法可以有效的控铝4 输出电流的幅值和相位。 一般而言，有功功率、无功功率、有功电流、无功电流等概念是建立在单相 正弦电路或者三相对称正弦电路中。假设电压电流都是正弦波【明： 甜彬s i n 似) ( 2 - 2 0 ) i 一, f 2 1 s i n ( m r 一力一届c o s 矿s i n ( 耐) 一扬s i n 尹c o s ( 甜) ( 2 - 2 1 ) 其中妒为电流滞后电压的相角。将式( 2 2 1 ) 中的前后两项可以定义为和电压 同相位的有功电流分量f p 和比电压滞后9 0 。的无功电流分量i q ，即： f 。- 4 2 1 c o s p s i n ( w t ) ( 2 - 2 2 ) - - 4 2 i s i n f f c o s ( o 口t ) ( 2 - 2 3 ) 电路的有功功率即平均功率为： p 一乏安嘲 一苕+ 噶v ( 2 - 暂凹o o s 伊- u c a s f a 勉聊缸) + 富凹s i 蚴涮搬班。吩 - u o m p 电路的无功功率为q u l s i n q 7 。 电路中有功功率消耗功率而无功功率只交换能量而不消耗功率。 浙江大学硕士学位论文 第二章燃料电池并网逆变器的控制 在本并网发电系统的控制中，我们从另外一个角度推导定义了注入电网的有 功电流和无功电流。利用控制有功电流和无功电流进而控制电网电流的幅值以及 电网电流与电网电压之间的相位。 设电网电压“。( 0 - 【0s i n ( o 酣) ，注入电网的电流为( f ) ，于是系统并网输出 的有功功率为： p 一乏岳o k ( f 陟- 三z s i l l ( 耐心( f 渺( 2 - 2 s ) 由上式可以求得有功电流反馈值为： 一寿t 智御s 凇矽 ( 2 狮 其中：p 一有功功率： 蚝一电网电压瞬时值。 缈一电网电流瞬时值；一电网电压有效值5 【锄一电网电压峰值；t - - 电网电压周期值5 相同的可以求得系统无功电流的反馈值为： - 芒一知( f ) 蝴净 其中系统输出的无功功率为； q 一瓤啪+ ( f 渺 ( 2 - 锄 将式( 2 - 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 两式离散化可得： 一粤篆毽x 豳畴幼) ) ( 2 2 9 ) - 鲁蕈瓯x m s 畴h ) ) ( 2 - 3 0 ) 其中n 为数字系统中一个工频周期中的采样点数。k 为当前的采样点。 由上可以得出瞬时值内环的给定值为； - , 2 1 , x s i n 似) + 弘x c o s ( o x ) ( 2 - 3 1 ) 当逆变器运行于并网模式时，电网相当于无穷大的电压源，当电网电压恒定 时，由以上的计算可知通过控制有功电流环路就能控制输出有功功率，通过控制 无功电流环路就可以控制输出无功功率。 由以上分析可以得到加权电流瞬时值内环，有功，无功电流外环的双环电流控 制框图如图2 8 所示： 浙江大学硕士学位论文 第二章燃料电池并网逆变器的控制 图2 - 8 并网逆变器电流控制框图 其中：i v 为有功电流给定值，k 为无功电流给定值，i p 为有功电流反馈值， i q 为无功电流反馈值，g m ( s ) 为有功电流p i 调节器，g p x 2 ( s ) 为无功电流p i 调节器， g 髓( s ) 为加权电流p i 调节器，( s ) 为p w m 逆变器的增益，h 1 、h 2 为整流 滤波函数得到无功电流、有功电流的反馈值，分别与无功电流、有功电流的给定 值傲比较，得到的误差信号经外环调节器后作为内环的给定信号。其中内环控制 采用加权电流平均的控制方法，已经在2 3 节中有所论述。k 1 、k 2 分别为逆变 输出电流f l 与电网电流f 2 的权值系数： 足1 旦r c s ( 2 - 3 2 1 1 + 冗o k 2 。f l r c s + 1 ( 2 - 3 3 、 1 + r o 一般而言我们可以通过控制有功电流给定值i p 来改变电网电流的幅度，同时 令无功电流给定值1 q + = 0 ，使得注入电网的电流和电网电压的相差为零，即使得 功率因数接近于1 。当然也可以通过改变i 口+ 的值以改变注入电网的无功功率。 2 5电流环参数设计 2 5 1内环参数设计 内环控制框图如图2 - 5 所示，由于考虑了变换器的延时和反馈通道的滤波， 故设计接近于实际情况【冽陋 1 3 0 。考虑到燃料电池的成本问题，一般在运行时都 提供本地负载运行，因此以下的设计考虑了本地负载2 s k w 的倩况下电流环的 浙江大学硕士学位论文 第二章燃料电池并网逆变器的控制 设计，内环被控系统的开环传递函数为： g ：o ) 一( 。o ) g f l 2 。0 ) ( 2 - 3 4 ) 式( 2 - 3 4 ) d pg p w m ( s ) 为p w m 逆变器的增益，g u 2 女) 为被控系统传函，如式 ( 2 1 6 ) 所示，被控系统接近于一阶函数，在滤波器谐振频率处相位有+ 9 0 。的跳 变。对于l c l 结构的滤波器，谐振时相当于两个电感并联后与电容谐振，即滤 波器的谐振频率为： 。丽1 ( 2 - 3 5 ) 本系统滤波器选择l 1 = l 2 = 1 5 r a n , c = 7 u f ，因此f n = 2 1 9 6 i - i z 。 内环采用的是p i 控制器，设计电流环控制器的依据是使得系统在低频处有 较大的增益，保证对参考值的跟踪，在高频处有高的衰减，保证对高次谐波的抑 制，同时兼顾系统的稳定性，使得系统具有足够的相位裕度。 首先确定系统的穿越频率，穿越频率越高则控制器的比例增益越大，可以使 得系统的动态响应越快、稳态误差减小从而增加控制精度，不过会使得系统的稳 定性下降。根据以上的要求把被控系统的穿越频率f c 设置在滤波器谐振频率的 1 陀处，即f c = 1 伽o h z 。 在图2 - 9 中画出了补偿前后幅频特性的示意图。其中曲线1 为补偿前被控系 统的幅频特性，曲线2 为p i 控制器的幅频特性，曲线3 为补偿后的幅频特性。 从曲线3 中可以看到，补偿后的幅频特性在低频段在p i 的零点频率正之前以 4 0 d b 衰减，为了提高低频增益以保证对基波5 0 h z 正弦波的跟踪，不能将设 置太低，同时如果设置太高，则会使得系统穿越频率过高，无法保证对高频谐波 的衰减。过了p i 的零点频率五后系统以- - 2 0 r i b d e c 下降，在f c 处穿越零点，保 证对开关频率等高频谐波的衰减。 浙江大学硕士学位论文 第二章燃科电池并网逆变器的控制 补偿前后幅频特性示意图 饕一辩 一一一f 一一一f ：i i ：蕊e c l i一：z u 口聊口 ! 们k ? 心 11 01 0 0l o =1 0 4 f l h z 图2 - 9 补偿前后幅频特性伯德图 接下来确定p i 控制器的零点，零点设置频率越高则系统的低频增益越大， 但是相角裕度变小，系统趋向于不稳定。设置p i 控制器的零点在系统穿越频率 的十分之一左右，这样就有； 正= 妨g 蚝- 1 0 0 胁 ( 2 - 3 6 ) 其中k 。和分别为p i 调节器的比例和积分系数。 补偿后的内环传递函数为： g - k 。, s s + k e g ，j 2 j p 也5 ( 2 - 3 7 ) 由于在穿越频率处，开环增益为1 ，再结合式( 2 3 6 ) 有： f l 。j 0 0 j ， 8 ) 半e 雄l o z ” 由式( 2 - 3 8 ) 可以解得电流内环p l 控制器的参数：巧一2 7 ，蚝= 1 7 5 7 。 所设计的内环p i 控制器如下所示。 g o j f j j 2 7 s + 1 7 5 7 ( 2 - 3 9 ) s 根据上面设计的内环p i 控制器，可以画出系统补偿后的伯德图，如图2 - 1 0 所示，曲线1 为被控系统特性，曲线2 为p i 控制器特性，曲线3 为补偿后回路 阳