三相逆变器的单环与双环控制比较研究.docx

三相逆变器的单环与双环控制比较研究军，姚蜀军罗(华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206)摘要:三相恒压恒频逆变器可采用单闭环和双闭环两种控制方法，为详细认识这两种方法的优缺点，建立同步旋转坐标系下三相逆变器模型，分别设计了带解耦的单闭环PID控制和双闭环PI－PI控制的三相逆变器。在相同的极点配置下，对比分析二者的等效输出阻抗频率特性，并在PSCAD中仿真对比动态响应性能。结果表明，两种控制方法均具有优良的动态响应性能，但双闭环控制在低频段的等效输出阻抗较单闭环低，带非线性负载能力更强，且易实现输出限流保护功能。关键词:三相逆变器;单闭环;双闭环;极点配置;输出阻抗非线性负载中图分类号:文献标识码:DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2014.010.001环控制，但其采用的双环控制不含电流前馈;文献［12］提出了基于极点配置的瞬时电压PID控TM464A0引言制设计方法，并指出逆变器瞬时电压PID控制在电路结构、成本等方面更具优越性，但未对两种控制方案的性能作比较分析。本文首先建立三相逆变器在同步旋转坐标系的数学模型，利用极点配置法，分别设计了单闭环PID和双闭环PI－PI控制系统参数。配置相同的极点，在PSCAD中进行仿真分析，结果表明，两种控制方案均具有较高的稳态精度和较快的动态响应速度，但双闭环控制在电流环中增加限流器即可实现自动限流保护功能，且在非线性负载条件下，输出电压总谐波畸变率(THD)较单闭环PID控制低。随着三相恒压恒频(CVCF)逆变器在不间断电源(UPS)和新能源并网等领域的应用日益广泛，对其输出波形要求也不断提高。控制器的设计是提高逆变器性能的关键因素，三相逆变器可以通过坐标变换把对象放在dq同步旋转坐标系中进行控制，原正弦指令变成直流量，可实现逆变器的无静差调节［1］。单闭环PID控制器兼有PD滞后和PI超前校正的作用，可改善系统的动态和稳定性能，且其结构简单、鲁棒性好、易于实现［2，3］。含电压外环和电流内环的控制方案是高性能逆变器控制的发展方向之一［4，5］，双闭环控制包括电感电流内环和电容电流内环［6～8］，文献［9，10］指出电感电流反馈的双闭环控制具有较强的抗短路能力，但外特性相对较软;电容电流反馈的双闭环控制外特性硬、稳态精度高，但难以实现过载和短路电流限制，本文采用带负载电流前馈的电感电流内环控制方法，兼顾两种方法的优点。文献［11］指出电压单环能起到和双闭环类似的电压跟踪效果，且认为单环控制的抗负载电流扰动能力优于双闭1三相逆变器模型典型三相电压源型逆变器如图1所示。取电感电流和电容电压为状态变量，逆变器在三相静止坐标系下的状态方程如式(1)所示。通过坐标变换，三相静止坐标系中的基波正弦变量转换为同步旋转坐标系中的直流变量，从收稿日期:基金项目:作者简介:2014－04－29。国家自然科学基金。罗军(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为电力电子技术及其在电力系统中的应用，E-mail:gmail．com。armyluojun@2电力科学与工程2014年1［ωLi(s)+ωCu(s)］(3)LCs2+rCs+1lqoq2两种控制方案设计2.1单闭环控制单闭环PID控制原理如图3所示，该控制方案可有效解除dq轴间的耦合。图1三相电压源型逆变器而经PI调节能实现无静差控制。逆变器在同步旋转坐标系中状态方程如式(2)所示。diladuoa??L=uia－uoa－rila，C=ila－ioadtdt??dilbduob?L=uib－uob－rilb，C=ilb－iob(1)dtdtduoc?dilc??L=uic－uoc－rilc，C=ilc－iocdtdilddt图3单闭环控制框图?L?=uid－uod+ωLilq－rilddtki设电压调节器传递函数为:Gv=kp++kd，?sdilq?L=uiq－uoq－ωLild－rilq??dtduoddtduoq由图2、图3可得到d轴输出响应和系统特征方程分别为:(2)?C??=ild－iod+ωCuoqks2+ks+k2Ls+rsdpiuod(s)=udref(s)－iod(s)(s)LC·D(s)LC·D??C=ilq－ioq－ωCuoddt(4)根据式(2)到得逆变器dq坐标下系统模型如图2所示，由于dq轴具有对称性，因此只需分析d轴即可。rC+kkkd2pi3D(s)=s+LC+LCs+LCs(5)2.2双闭环控制策略双闭环控制原理如图4所示，文献［13］指出当电流内环采用PI调节器代替P调节器时可进一步增强双闭环控制的抗负载电流扰动能力。因此本文双闭环控制策略电压外环和电流内环均采用PI调节器，且增加了负载电流前馈。设电压外环电流内环传递函数分别为:Gv=k1ik2ik1p+s，Gi