三相逆变器的单环与双环控制比较研究

第３Ｏ卷第ｌＯ期　电力科学与工程　Ｖ０１．３Ｏ．Ｎｏ．１０　２０１４年１Ｏ月　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｏｃｔ．，２０１４　三相逆变器的单环与双环控制比较研究　罗　军，姚蜀军　（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Ｐｌ—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：ＴＭ４６４　文献标识码：Ａ　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　０　引言　献［１２］提出了基于极点配置的瞬时电压ＰＩＤ控　随着三相恒压恒频（ＣＶＣＦ）逆变器在不间　制设计方法，并指出逆变器瞬时电压ＰＩＤ控制在　断电源（ＵＰＳ）和新能源并网等领域的应用日益　电路结构、成本等方面更具优越性，但未对两种　广泛，对其输出波形要求也不断提高。控制器的　控制方案的性能作比较分析。　设计是提高逆变器性能的关键因素，三相逆变器　本文首先建立三相逆变器在同步旋转坐标系　可以通过坐标变换把对象放在ｄｑ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　中进行控制，原正弦指令变成直流量，可实现逆　环ＰＩＤ和双闭环ＰＩ—ＰＩ控制系统参数。配置相同　变器的无静差调节…。　的极点，在ＰＳＣＡＤ中进行仿真分析，结果表明，　单闭环ＰＩＤ控制器兼有ＰＤ滞后和ＰＩ超前校　两种控制方案均具有较高的稳态精度和较快的动　正的作用，可改善系统的动态和稳定性能，且其　态响应速度，但双闭环控制在电流环中增加限流　结构简单、鲁棒性好、易于实现　。含电压外环　器即可实现自动限流保护功能，且在非线性负载　和电流内环的控制方案是高性能逆变器控制的发　条件下，输出电压总谐波畸变率（ＴＨＤ）较单闭　展方向之一　Ｊ，双闭环控制包括电感电流内环和　环ＰＩＤ控制低。　电容电流内环　“　，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　１三相逆变器模型　特性相对较软；电容电流反馈的双闭环控￥Ｋｌ￣，ｉ－特　性硬、稳态精度高，但难以实现过载和短路电流　典型三相电压源型逆变器如图１所示。取电　限制，本文采用带负载电流前馈的电感电流内环　感电流和电容电压为状态变量，逆变器在三相静　控制方法，兼顾两种方法的优点。文献［１１］指　止坐标系下的状态方程如式（１）所示。　出电压单环能起到和双闭环类似的电压跟踪效果，　通过坐标变换，三相静止坐标系中的基波正　且认为单环控制的抗负载电流扰动能力优于双闭　弦变量转换为同步旋转坐标系中的直流变量，从　收稿日期：２０１４—０４—２９。　基金项目：国家自然科学基金（５１３０７０５４）。　作者简介：罗军（１９８９一），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：ａｒｍｙｌｕｏｊｕｎ＠　ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ。　２　电力科学与工程　２０１４焦　１　［　（ｓ）＋∞ｃ　。　（ｓ）］（３）　２两种控制方案设计　２．１单闭环控制　图１三相电压源型逆变器　单闭环ＰＩＤ控制原理如图３所示，该控制方　　而经ＰＩ调节能实现无静差控制。逆变器在同步旋　案可有效解除幽轴间的耦合。转坐标系中状态方程如式（２）所示。　ｄｉｌａ＝“　Ｈ　，ｃ警：　一。　警　－Ｔｉｌｂ　ｃ　：　－－Ｌ’ｏｂ㈩　ｄｉｔｃｄｕ＝　Ｍ。。－－ｒｉｌｅ，ｃ　ｏｃ＝　ｋ—　。　警　Ｍ　＿ｒ　誓～　～　．ｒ　ｄｌＬｏｄｃ　＝　一　＋　ｄｌ￣ｏｑｃ　＝ｉ　一　一　ｃ　根据式（２）到得逆变器由坐标下系统模型　如图２所示，由于ｄｑ轴具有对称性，因此只需分　析ｄ轴即可。　图２却坐标系三相逆变器系统模型框图　将负载电流视为扰动输入，开环控制逆变器　ｄ轴输出响应如式（３），该传递函数第一部分体　现了输出电压对参考信号的跟踪性能，可视为空　载输出特性，第二部分体现了负载电流对输出的　扰动特性，可视为系统等效输出阻抗特性，第三　部分为ｇ轴对ｄ轴的耦合扰动输出。　（　）＝　ｕｉｄ　（　ｓ）　厶＋ｒ　．　一　（Ｓ）＋　图３单闭环控制框图　设电压调节器传递函数为：Ｇｏ＝ｋｏ＋　＋　，　由图２、图３可得到ｄ轴输出响应和系统特征方程　分别为：　ｄ５　＋后ｐｓ－１＇－　ｉ　，、　＋　．　ｕ　ｒ　）～瓦＿丽　。　（ｓ）　（４）　Ｄ㈥　＋　ｓ２＋　＋　㈤　Ｌ乙　ＬＬ　，Ｊ乙　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：Ｇ　＝　＋　，Ｇ　＝　＋／ｃ　２＿＿２。由图２、图４得系统ｄ轴输　图４双闭环控制框图　第１Ｏ期　罗　军，等三相逆变器的单环与双环控制比较研究　３　出响应和系统特征方程分别为　＇　：　ｕ　（Ｓ）＝　ｋｌ，ｋ２　ｓ　＋（　ｌ　ｋ２ｊ＋ｋｌｌｋ２　）ｓ＋　】　ｋ２ｊ　ＬＣ・Ｄ（ｓ）　厶　＋　　．历＿丽　。㈠Ｓ４十　＋　ｓ２＋　ｋｌｉｋ２ｉ　ｓ＋　（７）　３参数设计及频率特性分析　极点配置法　”　是将系统的闭环极点配置在　期望的位置上，以期使系统获得期望的控制性能。　据自动控制理论知识，系统的动态性能主要由闭　环特征方程的主导极点决定，对比式（５）、式　（７）可以发现，两者分别为三阶和四阶系统，可　视为双闭环控制相对于单环控制增加了一个非主　导极点。本文设计的逆变器滤波参数为Ｌ＝　１．８　ｍＨ，Ｃ＝３０　Ｆ，等效阻尼电阻ｒ＝０．１　ｎ，直　流侧电压Ｕ　＝８００　Ｖ，输出电压基波频率５０　Ｈｚ，　相电压２２０　Ｖ（ＲＭＳ），额定相电流４０　Ａ，ＰＷＭ　开关频率　＝１０　ｋＨｚ，通过设定闭环系统期望阻尼　比、自然频率和非主导极点位置，即可由式（５）　和式（７）分别解得单闭环和双闭环控制系统　参数。　图５为相同极点配置下不同控制方式的逆变　器等效输出阻抗频率特性曲线，可见单闭环和双　闭环控制均可使不同频率下的逆变器输出阻抗相　ｌＯＯ　Ｊ　－　５Ｏ　０　兽．５０　臻　豸　饭　‘　’‘‘　≯　．州　：　；　趔．１００　馨１开环　－１５０　蓊　闭环　呶闭环　—２００　￡　丑　罂　图５输出阻抗频率特性　对于开环大为减小，尤其在低频段双闭环输出阻　抗远低于单闭环。由于逆变器带非线性负载时，　高次谐波可由滤波器基本滤除，电流谐波成分主　要为低次谐波，因此双闭环控制抗负载扰动和带　非线性负载能力更强。　４仿真分析　为进一步探究和验证两种控制方法的控制性　能优劣，在ＰＳＣＡＤ中进行下述仿真比较：　（１）动态响应　图６给出了两种控制方式下突加、突卸额定阻　性负载时的三相输出电压、电流和ｄ—ｑ轴电压波　形，可见两种控制方式均具有较快的动态响应速度，　负载突变时电压恢复时间均为２．５　ｉｎｓ左右。　（２）带非线性负载　＞　宙　：　一　５Ｏ　≤　２５　０　脚：嚣　４００　之出３００　２００　１００　Ｏ　０．０２０　０．０２５　０．０３０　０．０３５　０．０４０　０．０４５　０．０５０　ｔ／ｓ　（ａ）单闭环控制　萤：蓁　一　垂：蓁匪一　４００　之３００幽　２００　１００　Ｏ　０．０２０　Ｏ．０２５　０．０３０　０．０３５　０．０４０　０．０４５　０．０５０　ｆ／ｓ　（ｂ）双闭环控制　图６　负载突变时电压、电流波形　４　电《＼　力《　科学与删　工《　程　２０１４钜　图７给出了两种控制方式下带相同非线性负　均以基波正弦形式被降低大小。　载时的Ａ相输出电流和电压波形。负载电流峰值　达到５７．７５　Ａ，超过额定电流峰值（Ｉｏ恃＝４０√２—　５６．５７　Ａ），负载电流ＴＨＤ达３７％。单闭环控制下　Ａ相输出电压ＴＨＤ为４．７％，双闭环下ＴＨＤ仅为　螽６，３　删　３０　—６０　０．８７％，可见双闭环控制逆变器带非线性负载能　力明显强于单闭环控制。　５０　２５　０　２５　５Ｏ　：＝＝＝＝＝　￡　毒　￡＝毒　：　Ｏ．　０．０４　０．Ｏ５　Ｏ．Ｏ６　０．０７　０．Ｏ８　Ｏ．０９　０．１　Ｏ　一　一　ｔ／ｓ　＾ｊ．１＿ｌ３　０５　５Ｏ　Ｏ０ＯＯＯ　（ａ）单闭环控制　删　罨　Ｏ　＞　３Ｏ０　宙　ｌ５０　Ｏ　詈　１５０　３Ｏ０　Ｏ．　（ｂ）双闭环控制　图７非线性负载下电压、电流波形　（３）限流功能　采用双闭环控制时，在内环电流给定值处加　入限幅环节（如图４所示），可有效限制滤波电　感电流，从而实现逆变器输出限流保护功能。单　闭环控制由于没有电流内环，限流保护的实现需　采取其他措施。图８给出了限流时三相逆变器负　载电流、输出电压和ｄ—ｇ轴电压波形。ｔ＝　０．０４５　ｓ时系统过载５０％，即输出相电流有效值应　达６０　Ａ，由图可见三相逆变器输出电压、负载电流　乏２５０３５０　出１５０　５０　Ｏ　０．Ｏ２５　０．０３５　０．０４５　０．Ｏ５５　０．０６５　０．０７５　ｔ／ｓ　图８双闭环控制过载限流功能　５结论　建立同步旋转坐标系中的三相电压型逆变器　模型，基于极点配置法设计单闭环瞬时ＰＩＤ控制　器和双闭环ＰＩ—ＰＩ控制器。在相同极点配置下，　仿真并对比分析了两种方案的控制性能。结果表　明：单闭环ＰＩＤ控制和双闭环控制均具有较快的　动态响应速度；因双闭环控制可实现更低的等效　输出阻抗，因此非线性负载条件下双闭环控制的　输出电压ＴＨＤ远低于单闭环，带非线性负载能力　更强；双闭环控制易于实现输出限流保护功能，　限流运行时能保持标准正弦波输出，因此双闭环　控制适用于对输出性能要求较高的场合。　参考文献：　［１］彭力．基于状态空间理论的ＰＷＭ逆变电源控制技术研　究［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２００４．　［２］刘慧．大功率三相逆变器控制与并联技术研究［Ｄ］．武　汉：华中科技大学，２００８．　［３］吴姗姗，李永东．一种新型恒压恒频逆变电源闭环控制　策略［Ｊ］．电力电子技术，２００６，（５）：２３—２４．　［４］Ｐｏｈ　Ｃ　Ｌ，Ｎｅｗｍａｎ　Ｍ　Ｊ，Ｚｍｏｏｄ　Ｄ　Ｎ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ—ｌｏｏｐ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｆｏｒ　ｓｉｎｇｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｒｅｅ　ｐｈａｓｅ　ＵＰＳ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ．，２００３，１８（５）：ｌ１７６—１１８５．　第１０期　罗　军，等三相逆变器的单环与双环控制比较研究　５　［５］方超．逆变器带非线性负载的控制方法研究［Ｄ］，哈尔　滨：哈尔滨工程大学，２０１３．　［６］喻晨龙，鞠志忠，祁承超．两种逆变器双环控制技术比　化，２０１３，（１９）：１１０—１１５．　［１２］彭力，张宇，康勇，等．高性能逆变器模拟控制器设　计方法［Ｊ］．中国电机工程学报，２００６，（６）：８９—９４．　较分析［Ｊ］．通信电源技术，２０１３，（５）：９—１２．　［１３］何俊．ＰＷＭ逆变电源双环控制技术研究［Ｄ］．武汉：　华中科技大学，２００７．　［１４］Ｍａ　Ｘ，Ｗｕ　Ｈ，Ｓｕｎ　Ｓ，ｅｔ　ａ１．Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｉｔｈ　ｄｉｇｉｔａｌ　ＰＩ　ｄｕａｌ　ｃｌｏｓｅ－ｌｏｏｐ　ｆｏｒ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ［Ｃ］．Ｓｅｏｕｌ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｉｃａｌｒ　Ｍａｃｈｉｎｅｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００７．　１０２—１０５．　［７］燕跃豪，鲍薇，李光辉，等．基于混合储能的可调度型　分布式电源控制策略［Ｊ］．华北电力大学学报（自然科　学版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