电力电子1(1)

一．三相并网逆变器控制分类及各方案原理，控制结构图、矢量图等。1、基于电压定向的控制策略：1）基于电压定向的矢量控制策略。2）基于电压定向的直接功率控制策略。2、基于虚拟磁链定向的控制策略：1）基于虚拟磁链定向的矢量控制策略。2）基于虚拟磁链定向直接功率控制策略。基于电压矢量定向的控制系统（VOC）系统矢量图、控制系统示意图：VOC方案的问题在于：当电网电压含有谐波等干扰时，就会直接影响电网电压基波矢量相角的检测，从而影响VOC方案的矢量定向的准确性及其控制性能，甚至使控制系统振荡。基于虚拟磁链定向的矢量控制(VFOC)虚拟磁链定向的基本出发点是将并网逆变器的交流侧（包括滤波环节和电网）等效成一个虚拟的交流电机。矢量图通过控制与磁链矢量Ψ相重合的d轴电流分量id即可控制并网逆变器输出的无功功率，而控制与磁链矢量Ψ相垂直的q轴电流分量iq即可控制并网逆变器输出的有功功率。三相电网电压矢量经过积分后所得的矢量便可认为是该虚拟交流电机的气隙磁链。显然，由于积分的低通滤波特性，因此可以有效克服电网电压谐波对磁链的影响，从而确保了矢量定向的准确性。直接功率控制（DPC）————具有鲁棒性好、控制结构简单等优点基本的控制思路是：首先对并网逆变器输出的瞬时有功、无功功率进行检测运算，再将其检测值与给定的瞬时功率的偏差送入两个相应的滞环比较器，根据滞环比较器的输出以及电网电压矢量位置的判断运算确定驱动功率开关管的开关状态。基于电压定向的直接功率控制(V-DPC)：矢量图：基于虚拟磁链定向的直接功率控制(VF-DPC)：基于无电网电压传感器VF-DPC的（滞环）控制基于滞环控制的VF-DPC具有以下一些优点：1、简单和无噪声、鲁棒性好的顺势功率估算;2、与传统的DPC相比可以采用较低的采样频率；3、无电流控制环；4、高动态性能解耦的有功、无功控制。滞环控制的VF-DPC的主要不足在于：逆变器的开关频率不固定，并且需要高速的处理器和A/D采样转换器。滞环控制的显著缺点是开关频率的不固定，这给输出输出滤波器的设计带来了问题。为此可采用基于PI调节的的固定开关频率VF-DPC控制策略基于无电网电压传感器VF-DPC的（定频PI调节）控制基于PI调节的定频VF-DPC控制策略有：开关频率固定、算法简单、动态响应好优点，尤其是在电网电压不理想的情况下也能实现较好的并网控制性能。二.有源、无源阻尼法：无源阻尼法：为了抑制LCL滤波器的谐振特性，提高系统的稳定性，最简单的方法就是在滤波器的回路中串入电阻来增加系统的阻尼，即无源阻尼法根据电阻与元器件连接方法的不同，可以分为如图所示的四种采用无源阻尼方式的增阻尼方法，即：网侧电感串联电阻、网侧电感并联电阻、电容支路串联电阻以及电容支路并联电阻。1、无源阻尼法—网侧电感串联电阻：1)未加入阻尼电阻时，系统存在谐振峰，随着阻尼电阻的增加，衰减程度变大；2)阻尼电阻的加入，高频衰减特性虽然基本保持不变；3）系统的低频增益随阻尼电阻值的增加而衰减——影响了系统的稳态控制性能。当阻尼电阻较大时（如为网侧电抗的10倍以上）才能明显抑制谐振峰，这显然将导致损耗的增加。因此，无论是从控制性能还是系统功率损耗的角度分析，这种网侧电感串联电阻方法并不是较好的无源阻尼方案无源阻尼法—网侧电感并联电阻:1）随着阻尼电阻的减小，谐振峰的衰减程度增加；2）随着阻尼电阻的减小，高频段的衰减速率变慢——导致滤波性能的下降。由于这种网侧电感并联电阻的无源阻尼法无法兼顾系统的阻尼和滤波特性，因此工程应用上很少采用。无源阻尼法—电容支路并联电阻:1）不改变低频和高频段频率特性；2）随着阻尼电阻的减小，谐振峰的衰减程度也相应增加。OIαiβidiqideEαeβetE轴（固定）()d轴旋转q轴轴BCAdiqidq*di*dcudqabcac...iiac...eeαiβiee*αu*βu*q0iasbscs*qu*du空间矢量调制dcu相角检测轴（固定）轴()d轴旋转q轴tIqe=EαeβeαiβidiqiαβEBCAqididq*qi*dcudqac...iiac...eeαiβi*αu*βu*d0iabc*qu*du空间矢量调制dcuabc虚拟磁链估计BAC*dcu*0q*pdcuac...iidcupqaSbScS电压矢量和瞬时有功无功估计扇区识别桥臂输出电压矢量选择pSqSnαeβeaibiciaebeceLLLPWMASBSCSdcudcuαiPIpq*p*qpSqSE扇区选择βiαβASBSCS*dcu虚拟磁链估计电网电压矢量估计瞬时有功无功估计开关表aibiciaebeceLLLPWMdcCPIPIPISVMpqaiASBSCSASBSCSαuβudqqudu*0q*p*dcudcudcu电流测量；功率和虚拟磁链估计bi当阻尼电阻的电阻值为电容容抗的25%时还不能完全将谐振峰值衰减掉，由于随着阻尼电阻阻值的减小，其功率损耗也随之增加，因此，这种电容并联电阻的无源阻尼方法实际上也较少采用。无源阻尼法—电容支路串联电阻:1）当阻尼电阻与电容容抗相比较小时，就能取得明显的阻尼效果；2）随着阻尼电阻的增加，高频段的衰减速率会受到一定影响当阻尼电阻与电容容抗相比较小时，并非显著影响其滤波性能，且阻尼电阻的功率损耗也相应较小。可见，这种电容支路串联电阻的无源阻尼方案是一种可选的应用方案。综上所述，从控制特性、滤波特性、阻尼特性以及功率损耗的角度综合分析，电容支路串联电阻好。有源阻尼法:有源阻尼法可分为虚拟电阻法、陷波器校正法和双带通滤波器法等通过增加阻尼电阻能够有效抑制滤波器的谐振，有利于控制系统的稳定性，但是阻尼电阻的增加一方面还是有可能会影响高次谐波的滤波性能，另一方面也会增加系统损耗，降低系统效率，尤其是在大功率场合，阻尼电阻发热严重。为了在不增加系统损耗的前提下，有效增加系统阻尼，抑制系统谐振并提高控制系统运行的稳定性，可以以控制取代实际阻尼电阻——有源阻尼控制。即当原系统Bode图出现正谐振峰时，可以利用算法产生一个负谐振峰与之迭加，从而抵消和抑制原系统Bode图的正谐振峰，以此增加系统阻尼。虚拟电阻法：其基本思想就是：将无源阻尼控制结构图进行等效变换，并以控制算法代替实际的无源阻尼电阻。基于虚拟电阻法的LCL并网逆变器有源阻尼控制结构图这种控制结构的思想是：检测LCL滤波器电容支路的电流ic，并与sCRd相乘后叠加到电压外环的输出电流指令上，然后经PI调节器实现有源阻尼控制。采用无源阻尼电阻控制时，原谐振频率处的谐振峰得到极大的衰减，远小于0dB；而采用虚拟电阻法控制时，系统在谐振频率处的增益也在0dB之下，谐振峰也得到较大的衰减。值得一提的是，电容串联电阻的阻尼控制并不改变系统的低频和高频特性，因而系统的控制和滤波特性基本不受影响。陷波器校正法：基本思路：为了实现阻尼控制，可以在控制系统中构造一个具有负谐振峰特性的环节，并以此抵消LCL滤波器产生的正谐振峰。由于陷波器具有这种负谐振峰特性，因此可以通过控制结构的设计，将陷波器特性引入系统控制中。可以通过电流环前向通道中引入适当的变量反馈，并将变量反馈构成的闭环环节整定为陷波器特性，就可以实现基于陷波器校正的LCL并网逆变器的有源阻尼控制。对于LCL并网逆变器而言，可以看出系统中可供选择的反馈变量有5个：网侧电感电压、滤波电容电压、滤波电容电流、桥臂侧电感电压、桥臂侧电感电流。当选用UC或者U2作为反馈变量时，需要将K（s）配置成微分环节；当选用U1或者i1作为反馈变量时，需要配置的K（s）较为复杂，而且配置参数和系统参数有关；当选用iC作为反馈变量时，只需要将K（s）配置成一个比例环节，且不受系统参数影响，可以很好的实现陷波器结构的有源阻尼算法。以电容电压为反馈变量时的陷波器校正有源阻尼法的实现控制结构图：当选用电容电压作为反馈变量时，需要将K（s）配置成微分环节。而微分环节实现困难，且易引入噪声，为此以超前-滞后环节代替微分环节。由于超前-滞后环节的引入，使系统前向控制通道中构成了一陷波器环节。这一环节由于在低频阶段和高频段的增益为1，因而对电流环性能没有影响。而在谐振频率附近，引入了与的正谐振峰相抵消的负谐振峰，从而有效地增加了系统阻尼。以电容电流为反馈变量时的陷波器校正有源阻尼法的实现当选用电容电流作为反馈变量时，只需要将K（s）配置成一个比例环节，且不受系统参数影响，可以较方便地实现基于陷波器校正的LCL并网逆变器的有源阻尼控制，基于陷波器校正的有源阻尼可以有效地抑制系统的谐振，增加系统阻尼。选用电容电流作为反馈变量时控制结构图：双带通滤波器法：控制结构图：其基本思想是将电流内环PI调节器输出值经过一个带通滤波器后，再与PI调节器的输出值相减，从而获得陷波器特性，实现了LCL并网逆变器的有源阻尼控制。分裂电容法：将LCL滤波器的中间旁通电容C分成并联的前后两部分，通过测量中间电流并作为反馈信号控制逆变器输出，从而使受控系统的特性从三阶系统转换为一阶系统，控制性能得以改善，便于实现稳定误差和电流谐波失真的减小。由于分裂电容法与传统控制策略相比，控制系统回路增益和带宽得以提高。因此，分裂电容法具有如下优点：①系统稳态误差小，电流谐波抑制能力强；②无需复杂的计算，控制延时短，实时性好，对于低频和高频开关变换器均适合；③控制方法简单。分裂电容法电流控制的反馈量系统与单电感滤波并网逆变系统相同，不存在谐振，闭环系统是稳定的。但是，其输出量系统为临界稳定即入网电流含有等幅振荡分量。网侧电流与电容电流双环反馈：将网侧电流反馈内部再引入一个电容电流最内环，网侧电流调节器输出作为作为电容电流环的指令。最内环仅仅只是增加系统的稳定性的，因此仅需要P调节器。网侧电流环采用PI调节器，以满足调节精度的要求。网侧电流与电容电流双环反馈是一个条件稳定系统，但是，系统的谐振抑制能力强，而且相对另外两种控制方法具有入网电流相位直接可控的优点。缺点是需要额外的电流传感器。三．光伏并网系统的典型结构（原理及优缺点）。1．集中型优点：一台变流器，结构简单，逆变器效率高缺点：抗热斑和抗阴影能力差;单一MPPT无法使系统运行于MPP;阻塞和旁路二极管使系统损耗增加；系统扩展和冗余能力差。2.串型优点：无阻塞二极管；抗热斑和抗阴影能力增加；多串MPP设计，运行效率高；系统扩展和冗余能力强。gLLCgiCiidcidcUPNaEbEcESVMdqdqSabcaia,b,cdqdqPIrefdcU_0_refdirefqi_qi------diSuSua,b,cCUCibia,b,cEa,b,ca,b,cdCi_qCi_loaddCRi_qCRi_sCRdPIPIloadgLLCgiCiidcidcUPNaEbEcESVMPIaidqPIPIrefdcU_dCRV_0_refdiqCRV_refqi_-----SuSuCUbiEa,b,cdqa,b,cdqqidia,b,c-SabcgLLCa1giidcidcUPNaEbEcESVMdqSabcia12a,b,cdqdqPIrefdcU_0_refdirefqi_qi----diSuSuCUEa,b,ca,b,cloadPIPICa2Cb1Cb2Cc2Cc1ib12ic12缺点：仍有热斑和阴影问题;逆变器数量多，扩展成本增加；逆变效率降低。3.多串集中型优点：无阻塞二极管；抗热斑和抗阴影能力增加；多串MPP设计，运行效率高；系统扩展和冗余能力强；单一逆变器设计，扩展成本降低；逆变效率高，适合多个不同倾斜面阵列接入，即阵列1～n可以具有不同的MPPT电压，十分适合应用于光伏建筑。缺点：仍有热斑和阴影问题;逆变器无冗余4.交流模块型:优点：无阻塞和旁路二极管；无热斑和阴影问题；独立MPP设计，运行效率高；系统扩展和冗余能力强；适用于光伏建筑一