三相并网光伏逆变器的同步pi控制外文翻译资料

 2023-01-02 12:49:31

三相并网光伏逆变器的同步pi控制

原文作者 Ma Liang, Trillion Q. Zheng

单位 School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing

摘要：介绍三相并网光伏逆变器的数学建模过程。提出了同步PI电流控制策略和调节器设计方法。电网电压的典型波形，电网谐波电流在100kW光伏逆变器进行，它可以提供工程师分析一些指南，设计与实现。

关键词：光伏并网逆变器； PI调节器； 同步设计； 前馈控制

介绍

为了解决能源危机和环境污染问题，可再生能源已成为人类可持续发展的必然选择。近年来，随着光伏系统成本的下降，光伏并网技术取得了很大进展[ 1 ]。早期的电流控制的三相PWM整流器包括滞环控制[ 2 ]和[ 3 ]预测电流控制，这是基于静止坐标系的模型被提出[ 4 ]。在本文中，数学建模的过程，同步PI电流控制策略，三相光伏并网逆变器调节器的设计方法是在旋转参考框架的提出。电网电压的典型波形，并网电流谐波在100kW光伏逆变器进行，它可以提供工程师分析一些指南，设计与实现。

三相光伏逆变器数学模型

图1给出了三相并网光伏逆变器的主电路图。假设三相电网电压是对称的，稳定的和内部电阻为零；三相回路电阻RS和LS是相同的值；开关损耗和通态电压为零时；分布参数的影响是可以忽略的；整流器的开关频率足够高[ 5 ]。

逆变器的基本工作原理是保持直流连接电压在参考值同时保持输出电流的频率和相位与电网电压的频率和相位相同。是由最大功率点跟踪算法[ 6 ]决定的。电压比较产生的误差信号由电压调节器调节，它决定参考电流的大小，然后用来接通和关闭逆变器的阀门。并网逆变器的负荷是电网，电网功率是由电网电流控制的。

图1 三相并网光伏逆变器主电路

图1中的参数列于下文[7]。

PV 光伏阵列；

光伏阵列输出电流；

直流环节电容；

直流环节电压；

,, 桥臂的中点与O点之间的电压；

,, 交流电网电压；

，， 输出交流电流；

回路等效电感；

回路的等效电阻；

开关函数Sk被定义为 （1）

根据基尔霍夫定律，它可以导出 （2）

和 （3）

三相对称无中性线系统中， （4）

联合（2），（3），（4）可以推导出三相光伏并网逆变器在三相静止坐标系（a-b-c）。

用矩阵表示，(5)可以写成

同时，

当开关频率远高于电网电压频率时，可利用占空比DK（k＝a，b，c）代替（11）中的开关函数SK，由此可导出

因此，当PWM控制周期逐渐变成零，它可以推导出逆变器的连续模型。采用坐标变换，可以导出数学模型（Į-两相静止坐标系ȕ）。 变换矩阵为

采用Park变换，可以导出数学模型在两相旋转坐标系（dq）。变换矩阵为

变换（6），（13）和（14），三相光伏逆变器的数学模型在d-q坐标系可以表示为

或者

而“E”表示变量在旋转参考系中，在（15）和（16）中 。

栅极电压空间矢量可以表示为

栅极电流空间矢量可以表示为

开关函数向量可以表示为

中性点电压矢量的变压器桥臂的中点可以表示为

根据（16），我们可以在图2绘制三相光伏并网逆变器的数学模型。

图2 三相光伏并网逆变器在两相旋转坐标系的数学模型

调节器设计

本文采用同步PI电流控制策略在两相旋转（DQ）框架，实现了逆变器正弦电流环控制，并根据同步旋转框架控制结构，三相对称电压和电网电流变成直流变量，因此采用PI控制，电流环可以实现无稳态误差调整[ 8 ]，[ 9 ]。栅极电压可以表示为

采用T / abc 和 Tdq /变换，推导出

从（25），在同步旋转坐标系下，usd和usq是直流变量，因此可以采用两个PI调节器实现参考电流跟踪控制。替代（25）在（16），而忽略Rs，它推导出

  1. 的数学模型表明它是一个强耦合系统。为了消除d轴与q轴之间的干扰，采用解耦控制。

uid , uiq是输出的d、q轴电流PI调节器。

将（27）和（28）替换为（26），它推导出

从（29）可以看出d轴和q轴电流是解耦的。该方法保持同步旋转框架的优点，有功电流和无功电流可以实现解耦，并可分别控制。PI控制可以实现无稳态误差调整，动态和静态的满意和开关频率不变。同步PI电流控制模型显示在图3。

图3 同步pi电流控制模型

同步PI电流控制

2.1 d轴电流的前馈控制

在d轴电流控制回路中，由引起的误差是

采用前馈控制消除干扰，采用开环控制对干扰信号进行补偿，同时减小反馈回路的负担，系统误差为

假如，系统输出误差为零。

图4 d轴电流前馈控制回路图

2.2 电流环PI调节器设计

电流环调节器采用PI调节器控制d轴和q轴电流，在大多数工程设计中PI调节器都能达到满意的效果。本部分用Bode图和根轨迹验证PI调节器对系统的稳定性。对于d轴和q轴电流是对称的，我们以q轴电流为例。

系统由数字信号处理器控制。采样周期为开关周期、采样延迟和脉宽调制。控制延迟可以等效。使pi调节器的零点等于极点。

当Rs不可忽视时，开环传递函数q轴电流为

根据I型系统设计参数，使阻尼比等于0.707，从而

在这里，系统的超调量% = 4.3%，上升时间 = 7.08ts、相位稳定裕度 = 65.5，截止频率r=0.303 T。图6显示的Bode图q轴电流。它可以看到更大的Kp，较大的截止频率c ，更快的系统响应。从  180  90tg 1cT  45，较大的Kp，小相角稳定裕度上判断。因此，系统快速冲突。

图5 Bode q轴电流控制回路图

由于系统的稳定性，在设计Kp时需要折衷。图7显示q轴电流开环传递函数的根轨迹，系统根轨迹位于实轴的左侧，系统是稳定的。

图6 q轴电流控制环的根轨迹图

当 Ls  Rs，忽略Rs，q轴电流的开环传递函数为

根据两种II型系统设计参数，使中频宽度 ，因此

系统的Bode图是显示在图8。相位裕度和幅值表明，所设计的调节器是一个稳定的系统，系统具有良好的动静态特性。

图7 Bode q轴电流控制回路图

在设计时，基于I型系统的抗噪声能力较差，但由于前馈控制，系统可靠性得到改善。II型系统具有较好的抗噪性，但具有较大的超调量。从仿真结果来看，它们没有大的差别。因此，在实施中，需要进行全面的比较。

2.3 电压环PI调节器设计

电压环设计是提高逆变器的抗噪声能力。根据（16），它推导出

因此，

PI调节器功能是

关于直流电压采样延时，电流环传递函数。联合（42）和（43），它可以推导电压开环传递函数。

依据Ⅱ型系统设计，

令，因此

仿真与实验结果

主电路的结构如图1所示。利用MATLAB/SIMULINK进行了仿真。实验的结果是在100kW光伏逆变器通过Fluke 434监测进行。系统的主要参数见表一。

表1.模拟与实验参数

系统电源

100kW

阵列输出电压

600V

栅极电压

380V (line-to-line)

线路电抗器电感

1.16mH

直流母线电容

13400mu;F

开关频率

4.5kHz

图8显示电网侧电压和三相光伏并网逆变器电流波形。图9显示栅极电流的谐波分布。输出电流和电压同相，功率因数始终保持一致。谐波含量很低。

图8 电网侧电压和电流的仿真波形

图9 栅极电流的谐波分布

图10、11显示波形的三相电网电压和电网电流。大电压谐波背景下输出电流保持良好正弦波形。图12和图13显示的电流跟踪电网电压，功率因数保持不变的统一。图14为电网电流谐波，图15显示总谐波含量和单次谐波含量符合IEEE std929-2000 [ 10 ]和毛细管气相色谱/ gf001：2009 [ 11 ]。

图10 电网侧电压试验波形。

图11 电网侧电流实验波形

结论

本文介绍了三相光伏并网逆变器的数学建模方法，同步PI电流控制策略和调节器的设计方法。电网电压的典型波形，电流及其谐波关于100KW光伏逆变器进行，它可以提供一些指引个工程师分析，设计与实现。在可持续的理论和技术的发展下，三相光伏并网逆变器将更广泛地应用于工业。

图12 电网侧功率试验图

图13 电网侧功率试验图

图14 电网侧电流仿真波形的谐波图

图15 电网侧电流仿真波形的谐波表

引用：

  1. Hwang,I.H,“Design,development and performance of a 50kW grid connected PV system with three phase current-controlled inverter,” PVSC.15-22 Sept. 2000,PP. 1664-1667
  2. Green A W and Bous J T,“Hysteresis current-forced three-phase voltage sourced reversible rectifier”. IEE. Part B,199,vol. 136,pp. 113-120
  3. Wu R,Shashi BD and Gordon R S,“Analysis of a PWM ac to dc voltage source converter under the predicted current control with a fixed switching frequency”. IEEE Trans. Industry Applications,1991,vol.2,pp.756-764
  4. Vladimir Band Vikram K.“A new mathematical model and control of a three-phase AC-DC voltage source converter”.IEEE Trans.Power Electronics,199,vol.12,pp.116-123.
  5. Yao Chen; XinMin Jin,“Modeling and Control of three-phase Voltage Source PWM Rectifier”.IPEMC,2006,vol.3,pp.1-4
  6. Kerekes,T.;Teodorescu,R.;Liserre,M.,“MPPT algorithm for voltage controlled

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