【《光伏新能源逆变器电源的控制策略概述》2800字】

光伏新能源逆变器电源的控制策略概述目录TOC\o"1-3"\h\u27404光伏新能源逆变器电源的控制策略概述 127461.1SPWM的工作原理 1255811.2逆变电源数学模型 3140981.3电压外环电流内环控制原理 6192241.4控制环路设计 8106481.1.1电感电流内环参数设计 8137081.1.2电压外环参数设计 10301501.5并网逆变器锁相环结构 111.1SPWM的工作原理逆变器通常选择脉宽调制技术(PWM)，正弦脉宽调制技术(SPWM)是单相逆变器使用最多的一种调制方式，且稳定性极强。逆变器理想输出电压波形如图1.1(a)所示，不考虑谐波成分输出电压应该为纯正弦波，其表达式为v(t)=V1msinωt。图1.1用SPWM电压等效正弦电压把一个周期内的工频正弦波分成2k个相等的区域，这里k取6，每个区域周期为工频周期的1/12，用相角表示为，第p个时间段起始点为，终止点为，该时间段内过零点相位角为：（1.1）若图1.1(a)中分割的时间段足够多，正弦波可等效为正负半周各由k个开通时间相等幅值不等的方波电压组成。逆变后的输出电压有正负和0三种电平。图1.1(b)为按正弦规律变化的脉冲电压。当脉冲的周期和幅值满足下式时就可以等效的调制出正弦波。即：(1.2)将(1.1)代入(1.2)，得到：(1.3)当半周内划分的区域足够多的即满足时有：(1.4)，可得：(1.5)则图1.1(b)中第k个方波的电压平均值可表示为：(1.6)根据式1.6可以推导出占空比为：(1.7)由公式1.7可知，当满足=时，该方波电压可等效为正弦规律变化的方波，选择合适的LC滤波器对方波进行滤波后就可以得到正弦基波电压，这就是SPWM调制的本质原理。从以上分析还可以看出SPWM正弦调制的核心是面积等效原理。SPWM调制根据面积等效的原则可以有两种不同的调制方式，一种是单极性，还有一种是双极性，这两种调制方式都有各自的优缺点，不过都可以作为全桥逆变器的调制方式，具体选择哪一种调制方式需要根据电路的要求来确定，如对效率要求高一点的话可以选择单极性调制，若对电路的可靠性要求高就选择双极性调制。本设计采用双极性调制，双极性调制原理如图1.2所示。图1.2双极性调制波形1.2逆变电源数学模型如图1.3所示，为全桥逆变主电路；图1.4为全桥逆变器单个开关管驱动波形。图1.3全桥逆变电路图图1.4单个开关管驱动波形设逆变器开关频率为。输入的直流电压为，逆变器输出的线电压为。经过LC滤波后的输出交流电压为。即：（1.8）全桥逆变器的输出电压与线电压之间的LC滤波器改变了电路的零极点位置，从输出电压到线电压的传递函数为：（1.9）式中R为负载电阻；r为电路的等效寄生电阻；LC为输出滤波器的参数。忽略寄生参数的影响，全桥逆变器的输出到线电压的增益可简化为：（1.10）利用状态空间方程表达可得：（1.11）其中，为占空比，开关周期，开关管导通时间。当时，双极性的等效调制过程如图1.5所示。图1.5双极性调制的过程根据双极性调制的过程可以得到占空比与时间的关系为：（1.12）（1.13）由以上两式得：（1.14）采用状态空间平均法时，用等效瞬时，即：（1.15）（1.16）至的传递函数为：（1.17）根据以上的推导可以进一步将逆变器的输出到输入的传递函数表达出来，输出到输入的传递函数表达式如下：（1.18）根据上述传递函数表达式，可得出图1.6所示系统框图。图1.6逆变输出的系统框图1.3电压外环电流内环控制原理逆变器控制中最简单的方式是单电压环控制，其原理是通过直接采样逆变器的输出电压，送入到控制器进行PI运算控制。为了提高其控制性能，通常将电流环也参与到反馈控制。电流环的采样一般分为电感电流采样和电容电流采样两种。图1.7为电感电流反馈控制框图。图1.7电感电流内环控制框图将补偿控制器的比例积分控制传递函数表示为：（1.19）根据电感电流反馈控制框图可得：（1.20）若采用电容电流作为电流反馈量，可得系统的总的控制框图如图1.8所示。图1.8电容电流内环控制框图根据电容电流反馈控制原理框图可以推导输出传递函数为：（1.21）电容电流反馈时的电流表达式为：（1.22）进一步可得出，输出阻不同则输出阻扛表达式为：（1.23）电容电流控制方式的输出阻抗为：（1.24）由上述公式可知，这个时候电压和电流是不相同的，电压特性也不一样，此时，电流输出微分可以促使电压得到矫正，视为超前的控制方式。1.4控制环路设计本设计采用双环控制方式，主要是考虑该控制方式具有变动幅度小、稳定性强、强干扰能力等显著优势。对比双环控制方式，内环控制的弊端也是比较明显的，主要在于实验过程中电压和定制容易出现偏差，数据采集的难度比较大。另一方面，电容电流内环控制是间接电流采样，这对反馈控制的动态响应性能会有一定的影响。而电感电流反馈由于是直接采样了包含输出电流成分的电感电流，这在控制上提高了系统的动态响应能力。因此，本设计的双闭环控制内环电流选择电感电流反馈的控制方式。1.1.1电感电流内环参数设计电流内环传递函数框图如图1.9所示。图1.9电流内环控制框图将电流控制环的输出阻抗部分合并后可得如图1.10的控制框图。图1.10电流内环控制化简框图根据1.10框图，推导出电流环的开环传递函数为：（1.25）加入比例环节后的电流传递函数为：（1.26）先假设本设计的参数为:输出电阻R为；滤波电容电感参数为：C=，L=1.5mH；电路等效内阻r为0.01Ω，将各个参数带人式（1.26）可得kip=30.25。图1.11为不加比例调节的电流开环传递函数伯德图。图1.11不加比例调节的电流开环传递函数伯德图根据式（1.26）的传递函数在MATLAB中输入传递函数公式可以得到加入比例环节后的开环传递函数伯德图如图1.12所示。图1.12有比例环节的电流开环传递函数伯德图加入比例环节后系统的直流增益得到了很大的提高，直流增益的提高可以有效的使得系统更快的达到稳定值，并且在一定程度上抑制了输出电压中的低频的纹波。1.1.2电压外环参数设计电压外环参数设计如下图所示。图1.13电压外环控制框图将LC滤波器的传递函数用电导的方式表示为：（1.27）将入PI调节后的系统闭环传递函数为：（1.28）本设计中PI调节的转折频率取；幅频特性的截止频率为6280，于是有：（1.29）进一步可得：，。根据式（1.29），可得如图显示的特性曲线，图1.14无PI环节电压外环开环传递函数根据式（1.29），可得如图1.15的图形。图1.15有PI环节电压外环开环传递函数由上图可知，加入PI调节器之后系统的开环传递函数的相位裕量大概为60度左右，一般45度左右的相位裕量对系统的稳定性帮助最大，本设计的60度相位裕量是一个比较合理的相位裕量值。1.5并网逆变器锁相环结构锁相环（PLL）基本组成框图如图1.16所示。图1.16锁相环结构图图1.16中，为电压输入信号，为锁相环的输出电压信号，用表示输入输出相位差。输入信号的误差表示为，代表控制电压，VCO的振荡频率由控制电压决定，输出信号和输入信号的相位差随着输入输出信号的相频特性改变而改变。表示输入电压的频率，鉴相器在输入输出频率相同时能够输出固定的直流误差电压，该电压可以调整VCO输出信号频率，使其稳定在输入电压的频率点。则实现了锁相环的锁定。在PLL中，鉴相器的特征方程为：（1.30）式中：为表示鉴相器灵敏度的标量。压控振荡器VCO的控制特性为=+（1.31）式中：为压控振荡器的固有振荡频率，为表示控制精度的常量。假设为固定频率的信号，用方程表示