第7章SPWM变换器系统控制技术

1、现代电力电子学第7章SPWM变换器系统控制技术第7章SPWM变换器系统控制技术7.1概述7.2SPWM变换器系统的一般性能要求及指标7.3SPWM变换器的建模7.4 独立运行逆变器的控制技术7.5 接入电网的SPWM变换器控制技术7.6 本章小结7.1概述图7-1单相半桥电路及应用a)单相半桥电路b)单相半桥逆变器c)单相半桥PWM整流器7.1概述图7-2单相全桥电路及应用a)单相全桥电路b)单相全桥逆变器c)单相全桥PWM整流器7.1概述图7-3三相桥式电路及应用a)三相桥式电路b)三相PWM逆变器c)三相PWM整流器7.1概述图7-4SPWM变换器控制系统一般框图7.2SPWM变换器系统的

2、一般性能要求及指标7.2.1SPWM变换器的一般性能要求7.2.2SPWM变换器的一般性能指标7.2.1SPWM变换器的一般性能要求SPWM变换器运行时，应该使交流侧交流电源的电压或电流为理想正弦波形，从电网吸收的无功功率等于零，使电网功率因数为1。SPWM变换器运行过程中，应该保证直流侧为平直、稳定的理想直流电。SPWM变换器在进行电能变换实现上述电能变换要求时，无论稳态运行还是受到扰动出现动态运行过程，都应该快速、准确地跟踪指令，因此对SPWM变换器同时还有动、静态跟踪响应性能要求。SPWM变换器上述性能的要求都是通过控制实现的。7.2.2SPWM变换器的一般性能指标波形正弦度性能的几个指

3、标和功率因数指标如下。(1)总谐波畸变率THD(Total Harmonic Distortion)(2)单次谐波畸变率HD(Harmonic Distortion) (3)最低次谐波LOH(Lowest-Order Harmonic) (4)功率因数PF(Power Factor) SPWM变换器直流侧的供电或用电品质用下列纹波系数、脉动系数衡量。(1)纹波系数RF(Ripple Factor)(2)脉动系数Sn7.3SPWM变换器的建模7.3.1SPWM逆变器(独立运行)的数学模型7.3.2SPWM整流器(接入电网)的数学模型7.3.1SPWM逆变器(独立运行)的数学模型1.单相SPWM逆

4、变器的数学模型2.三相SPWM逆变器的数学模型1.单相SPWM逆变器的数学模型图7-5单相逆变器主电路a)半桥逆变电路b)全桥逆变电路1.单相SPWM逆变器的数学模型图7-6PWM过程示意图1.单相SPWM逆变器的数学模型图7-7单相逆变器主电路框图2.三相SPWM逆变器的数学模型(1)基于三相静止a-b-c坐标系模型(2)负载效应(3)基于两相静止-坐标系模型(4)基于同步旋转d-q-0坐标系模型2.三相SPWM逆变器的数学模型图7-8三相逆变器主电路图a)不带变压器的三相逆变器b)带变压器的三相逆变器(1)基于三相静止a-b-c坐标系模型图7-8a中uA、uB、uC表示逆变桥输出相对于直流

5、中点P的三相相电压；u0a、u0b、u0c代表三个滤波电容上的电压，也就是逆变器输出的三相相电压；i1a、i1b、i1c为三个滤波电感中的电流；i0a、i0b、i0c为负载汲取的三相线电流。用uP1P表示中点P1与P之间的压降。(2)负载效应图7-9坐标系变换图a)a-b-c坐标系与-坐标系关系b)a-b-c坐标系与d-q坐标系关系(3)基于两相静止-坐标系模型进行三相静止a-b-c/两相静止-坐标变换、三相静止a-b-c/同步旋转d-q-0坐标变换是基于空间矢量的概念。将三相电量Xa、Xb、Xc分别定义在互差120的a、b、c三相轴线上，如图7-9a所示。(4)基于同步旋转d-q-0坐标系模

6、型图7-10d-q坐标系中三相三线制逆变器主电路框图7.3.2SPWM整流器(接入电网)的数学模型1.单相半桥SPWM整流器的数学模型2.单相全桥SPWM整流器的数学模型3.三相SPWM整流器的数学模型1.单相半桥SPWM整流器的数学模型图7-11单相SPWM整流器主电路a)单相半桥PWM整流器b)单相全桥PWM整流器1.单相半桥SPWM整流器的数学模型图7-12单相半桥SPWM整流器主电路框图2.单相全桥SPWM整流器的数学模型3.三相SPWM整流器的数学模型(1)基于三相静止a-b-c坐标系模型(2)基于两相静止-坐标系模型(3)基于同步旋转d-q-0坐标系模型(1)基于三相静止a-b-c

7、坐标系模型图7-13三相SPWM整流器的主电路图(2)基于两相静止-坐标系模型在两相静止-坐标系中，SPWM整流器的模型表明两相电流同样没有耦合关系。7-14 d-q坐标系中三相SPWM整流器主电路框图(3)基于同步旋转d-q-0坐标系模型7.4 独立运行逆变器的控制技术7.4.1 逆变器输出电压控制技术7.4.2 逆变器并联运行控制技术7.4 独立运行逆变器的控制技术逆变器的应用非常广泛，恒频恒压交流负载、变频变压变速传动系统、通信系统的直流开关电源、新能源系统（如风力发电、太阳能电池、燃料电池、超导磁体储能）、直流输电系统等许多场合都会用到逆变器。其最主要的应用是提供输出电压的幅值和频率可

8、控的正弦交流电，因此,输出电压的供电特性是逆变器最基本的控制目标。7.4.1 逆变器输出电压控制技术SPWM逆变器一般采用反馈控制技术进行输出电压的调控。单相逆变器闭环反馈控制系统主要由桥式逆变电路、输出滤波器、检测电路、控制调节器、PWM形成电路等部分组成，如图7-15所示。由桥式逆变电路和输出滤波器组成的逆变器主电路特性可由其数学模型描述；反馈通道常常是将输出的高电压、大电流等检测、衰减成弱电信号送至比较环节，为避免强弱电信号之间的干扰有时增加带小时间常数的滤波环节，因此检测电路一般为衰减比例环节或者带小时间常数的惯性环节，如果滤波时间常数相对于逆变器工作周期非常小，检测电路可近似看成衰减

9、比例环节。图7-15 单相逆变器闭环控制系统功能框图7.4.1 逆变器输出电压控制技术图7-16 单相逆变器闭环控制系统框图7.4.1 逆变器输出电压控制技术图7-17 d-q坐标系中三相逆变器闭环控制系统框图7.4.1 逆变器输出电压控制技术7.4.2 逆变器并联运行控制技术多台逆变器并联运行有诸多好处：能提供较大容量电源，而且电源系统扩容灵活；多台逆变器并联组成冗余系统，可大大提高供电的可靠性和不间断性，如果有某台逆变器出现故障，可以单台脱离并联网络进行故障检修，待恢复正常后又可接入并联网络参与供电，不会因为单台逆变器故障导致负载断电；并联冗余结构使系统具有较高的可维护性，日常维护既方便也

10、能保证不间断供电；每台逆变器的电应力、热应力可减小，单台可靠性提高；并联系统易于实现模块化结构设计，且设计制造成本降低，同时便于进一步扩容。图7-18 两台逆变器并联运行系统7.4.2 逆变器并联运行控制技术图7-19 两台逆变器电压和环流的矢量关系7.4.2 逆变器并联运行控制技术图7-20 电压补偿环节框图7.4.2 逆变器并联运行控制技术图7-21 有功相位下垂特性图7.4.2 逆变器并联运行控制技术目前，逆变器并联运行主要有集中控制、主从控制、分散逻辑控制和无互联线控制等四种并联控制方式。1）集中控制方式：并联系统存在一个集中控制单元，向每台逆变器发出交流同步基准指令，各逆变器采用的是

11、同一个同步信号，输出电压的频率、相位差异不大，可认为环流由电压的幅值偏差造成，逆变器检测本机实际输出电流和负载平均电流，根据这两个电流的偏差进行电压幅值的补偿，以抑制环流。2）主从控制方式：在并联系统中设置专门的均流控制主逆变器（主模块），其他逆变器作为从模块处于电流跟随运行状态，系统可很好地均流，从模块之间可以实现冗余。7.4.2 逆变器并联运行控制技术3）分散逻辑控制方式：将均流控制分散在各个逆变器中，通过逆变器相互之间的信号互连线（称为并联通信总线）交流信息，从而进行均流调控。4）无互连线控制方式：并联逆变器之间不存在信号互连线，各逆变器只检测本机输出的有功和无功功率，借助功率下垂特性，

12、利用有功、无功功率分别补偿输出电压的相位和幅值以实现均流控制。7.4.2 逆变器并联运行控制技术7.5 逆变器并联运行控制技术7.5.1 接入电网的SPWM变换器直流侧电压控制技术7.5.2 接入电网的SPWM变换器电网侧基波电流控制技术7.5.3 接入电网的SPWM变换器电网侧功率控制技术7.5.4 接入电网的SPWM变换器电网侧谐波电流控制技术图7-22 光伏并网发电系统7.5 逆变器并联运行控制技术图7-23 理想的SPWM变换器电压电流关系7.5.1 接入电网的SPWM变换器直流侧电压控制技术图7-24 SPWM整流器直流电压控制系统功能框图7.5.1 接入电网的SPWM变换器直流侧电

13、压控制技术图7-25 SPWM整流器电压、电流双闭环控制系统7.5.2 接入电网的SPWM变换器电网侧基波电流控制技术图7-26 三相SPWM整流器双闭环控制系统框图7.5.2 接入电网的SPWM变换器电网侧基波电流控制技术图7-27 静止型无功功率发生器7.5.3 接入电网的SPWM变换器电网侧功率控制技术图7-28 静止型无功功率发生器控制系统功能框图7.5.3 接入电网的SPWM变换器电网侧功率控制技术图7-29 并联型有源电力滤波器7.5.4 接入电网的SPWM变换器电网侧谐波电流控制技术图7-30 并联型有源电力滤波器控制系统功能框图7.5.4 接入电网的SPWM变换器电网侧谐波电流

14、控制技术图7-31 坐标变换关系7.5.4 接入电网的SPWM变换器电网侧谐波电流控制技术图7-32 谐波和无功电流检测方案7.5.4 接入电网的SPWM变换器电网侧谐波电流控制技术图7-33 电压反馈控制部分7.5.4 接入电网的SPWM变换器电网侧谐波电流控制技术7.6 控制器的设计7.6.1 基于经典控制理论的设计7.6.2 基于状态空间理论的设计7.6.3 重复控制7.6.4 无差拍控制7.6 控制器的设计在控制器参数设计方法中，模拟控制器参数设计依据连续控制理论，有基于频率域设计、根轨迹设计、状态空间设计等方法。数字控制器参数设计依据离散控制理论，有两种模式：其一是模拟化方法，如果采

15、样周期足够小，把基于连续系统设计的模拟控制器离散化来得到数字控制器，这称为模拟化方法,其中模拟控制器有多种离散化方法,如后向差分法、双线性变换法、频率予曲折双线性变换法、脉冲响应不变法、阶跃响应不变法和零极点匹配法,这种数字控制器设计方法只是一种近似处理，而且也不能实现只有数字控制特有的控制策略;其二是直接数字法，就是对加采样保持器的被控对象离散化模型进行数字控制器设计,直接数字法在保持系统稳定的同时可得到更宽的控制带宽，这个优点在多环系统或采样周期较大时变得更为显著，所以数字控制器最好采取直接数字化方法设计。图7-34 串联校正系统框图7.6.1 基于经典控制理论的设计图7-35单相逆变器等

16、效控制系统框图7.6.1 基于经典控制理论的设计图7-36 PI控制逆变器校正前后开环频率特性7.6.1 基于经典控制理论的设计图7-37PID控制逆变器校正前后开环频率特性7.6.1 基于经典控制理论的设计图7-38 带扰动前馈的复合控制系统框图7.6.1 基于经典控制理论的设计图7-39逆变器带负载前馈的复合控制系统框图7.6.1 基于经典控制理论的设计图7-40 状态反馈闭环系统框图7.6.2 基于状态空间理论的设计1.状态反馈控制2.状态反馈控制的改进方案7.6.2 基于状态空间理论的设计图7-41 带观测器的状态反馈系统框图7.6.2 基于状态空间理论的设计图7-42 串联校正+状态

17、反馈混合控制7.6.2 基于状态空间理论的设计图7-43 PI+状态反馈混合控制逆变器频率特性7.6.2 基于状态空间理论的设计图7-44 逆变电源重复控制原理示意图7.6.3 重复控制1.基于内模原理的重复控制算法2.重复控制的改进7.6.3 重复控制图7-45 重复信号发生器7.6.3 重复控制图7-46 基于内模原理的重复控制框图7.6.3 重复控制图70-47 一拍超前控制时序图7.6.4 无差拍控制图7-48 负载扰动观测器型无差拍控制系统示意图7.6.4 无差拍控制7.7 本章小结采用正弦脉宽调制（SPWM）控制的桥式变换器称为SPWM变换器。SPWM变换器可对交流侧的电压/电流（幅值、频率、相位）进行控制，从而实现交流侧基波/谐波、有功/无功的灵活控制，如果需要也可借此控制直流侧的功率和电压、电流。为了满足应用场合对供电/用电质量的需求，本章首