《高等电力电子技术》第四章

高等电力电子技术AdvancedPowerElectronics高等电力电子技术第4章控制系统设计4.1引言控制结构设计调节器结构设计基本内容控制系统调节器参数设计4.24.34.3高等电力电子技术4.1引言电力电子变换的主要任务是通过控制使电力电子系统完成既定的电能变换，并输出期望的电流、电压或功率。为克服系统参数变化或扰动对系统输出的影响，必须引入闭环控制，其典型的控制结构如图4-1所示。2Gs1Gs-被控量给定调节器电力电子变换输入电力电子变换电力电子变换输出扰动量被控量检测图4-1电力电子系统闭环控制结构图高等电力电子技术电力电子系统的控制主要包括对给定信号的跟随（跟随性）和对扰动信号的抑制（抗扰性）两个方面。而对于不同的电力电子系统，其控制性能对跟随性和抗扰性的要求则有所不同。VSR的控制性能要求主要是使其输出电流具有良好的控制跟随性。VSI的控制性能要求主要是使其输出电压具有良好的控制抗扰性。4.1引言高等电力电子技术4.2控制结构设计主要内容：4.2.1问题的提出4.2.2基于LCL的VSR内环结构设计4.2.3基于LC的VSI内环结构设计高等电力电子技术4.2.1问题的提出1）关于VSR采用LCL滤波器的主要目的是利用相对较小的滤波电感来有效滤除PWM高频谐波，但会产生谐振，为此可以采用多环控制策略来抑制谐振，从而改善系统的稳定性。1VD3VD5VD2VD6VD4VD1V3V5V4V6V2VUVWdcCCdcuL1iL2iCiaebece1L1R2L2Riuoi图4-2基于LCL滤波的电压型有源逆变器VSR主电路为了讨论控制系统的结构设计，首先讨论两种基本的电压型逆变器即：电压型整流器VSR和电压型逆变器VSI。高等电力电子技术为了抑制波动对输出的影响，一种简单的方法是对进行检测，并在控制系统中加入的解耦环节，如图4-3所示PWM桥PWM桥解耦iui*udcui*uiudcrefuudcrefuurefdcuu可见对于基于LCL滤波器的VSR而言，可采用三环控制策略：外环为直流侧电压控制环（稳定直流电压）；中环为输出电流控制环（有功、无功电流控制）；内环是在中环的基础上引入交流侧LCL滤波器中某一变量的反馈控制，以提高系统的稳定性。不同的内环反馈变量对系统稳定性的影响可能存在较大的差异，合适的内环反馈变量选择将对系统稳定性的改善起着重要作用。图4-3解耦结构框图dcu4.2.1问题的提出dcudcu高等电力电子技术2）关于VSILC滤波器本身也存在谐振现象，从而影响逆变器控制的稳定性。在LC滤波器的电感或电容中串入阻尼电阻均可以有效抑制LC滤波器的谐振。与基于LCL滤波器的VSR相同，基于LC滤波器的VSI也可以采用基于多环的控制策略来改善逆变器控制的稳定。1VD3VD5VD2VD6VD4VD1V3V5V4V6V2VUVWdcCCRLdcuLioiCiLuCuiu图4-5基于LC滤波的电压型VSI主电路4.2.1问题的提出高等电力电子技术基于LC滤波器的VSI可以采用典型的双环控制策略，即电压外环（稳定和控制逆变器的输出电压）、控制内环（用于改善控制性能）。控制内环反馈变量也存在不同的选择，而不同反馈变量对系统性能的影响也不同，因此也需要进行内环反馈变量的选取。综上所述，无论是基于LCL滤波器的VSR还是基于LC滤波器的VSI，当采用多环控制策略来改善控制系统性能时均存在内环反馈变量的合理选取问题（外环或中环等一般是由控制要求决定）。4.2.1问题的提出高等电力电子技术4.2.2基于LCL的VSR内环结构设计基于LCL的VSR控制可采用直流电压外环、输出电流中环以及控制内环的三环控制结构来改善系统的控制性能。以下以恒定的直流电压源供电为例来讨论基于LCL的VSR的内环控制结构问题，则直流电压外环不予考虑。输出电流中环的反馈变量一般均为逆变器输出的无功、有功电流。则只有内环的反馈变量没有确定。对于基于LCL的VSR而言，内环反馈变量共有5种选择：电感中的电流、电感的端电压、电容C中的电流、电容C的端电压以及电感的端电压。调节器PWMK111sLRiu*oioiCu1sCL1uCi221sLRoigeL2uL1i图4-7基于LCL的VSR输出电流单闭环控制系统结构那么对于这5种反馈变量该如何选择呢？高等电力电子技术（1）电容电流反馈PWMK11sLiuCu1sCL1u1Ci21sLoigeL2uL1i*CiCi图4-8基于反馈的单位调节器内环控制结构图由系统结构图可得基于电容电流反馈的单位调节器内环的开环传递函数为：2K21212KsLCG(s)sLLCLLRootLocusRealAxisImaginaryAxis-10000-8000-6000-4000-200002000-6000-4000-200002000400060000.160.340.50.640.760.860.940.9850.160.340.50.640.760.860.940.9852e+0034e+0036e+0038e+0031e+004可见，无论内环增益K如何变化，基于电容电流反馈的单位调节器内环控制始终是稳定的。CiCi4.2.2基于LCL的VSR内环结构设计实际上，可以通过比较引入不同反馈变量后系统的稳定性指标来选择出最优的反馈变量。则其内环根轨迹如右图所示Ci高等电力电子技术（2）电感电压和电容电压反馈PWMK11sLiuCu1sCL1u1CioigeL1iL2u21sL2*Lu2Lu图4-10基于反馈的单位调节器内环控制结构图4-11基于反馈的单位调节器内环控制结构L2uPWMK11sLiuCu1sC1Ci21sLoigeL1u*cuCuCu可见，二者内环控制结构仅是电网电压扰动点的位置不同，即系统的抗扰动性能不同。而当只考虑系统给定的跟随控制时，两者具有相同的控制性能。因此，这里仅以基于反馈的内环控制进行讨论。4.2.2基于LCL的VSR内环结构设计2LL2uCuL2u高等电力电子技术基于反馈的单位调节器内环开环传递函数为L2u2K21212KLG(s)sLLCLL-2500-2000-1500-1000-50005001000150020002500-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5x1040.0160.0360.0560.0850.1150.170.260.55e+0031e+0041.5e+0042e+0042.5e+0045e+0031e+0041.5e+0042e+0042.5e+0040.0160.0360.0560.0850.1150.170.260.5RootLocusRealAxisImaginaryAxis无论内环增益K如何变化，基于反馈的单位调节器内环控制均不稳定，而基于反馈的单位调节器内环控制也具有同样的结论。L2uCu4.2.2基于LCL的VSR内环结构设计其内环根轨迹如右图所示高等电力电子技术（3）电感电流反馈PWMK11sLiuCu1sCL1u1Ci21sLoigeL1i1*LiL1i基于反馈的单位调节器内环开环传递函数为L1i22K212121KsLCG(s)ssLLCLL-4000-3500-3000-2500-2000-1500-1000-5000500-6000-4000-200002000400060000.060.130.210.30.40.540.70.90.060.130.210.30.40.540.70.91e+0032e+0033e+0034e+0035e+0036e+0031e+0032e+0033e+0034e+0035e+0036e+003RootLocusRealAxisImaginaryAxis内环增益K如何变化，基于反馈的单位调节器内环控制始终是稳定的。L1i图4-13基于反馈的单位调节器内环控制结构L1iL1i其内环根轨迹如右图所示4.2.2基于LCL的VSR内环结构设计高等电力电子技术（4）电感L1电压反馈L1uPWMK11sLiuCu1sCL1u1Ci21sLoigeL1u1*Lu基于反馈的单位调节器内环开环传递函数为L1u212K212121KLsLCG(s)sLLCLL-600-400-2000200400600-6000-4000-200002000400060000.0360.0560.0850.1150.170.260.51e+0032e+0033e+0034e+0035e+0036e+0031e+0032e+0033e+0034e+0035e+0036e+0030.0160.0360.0560.0850.1150.170.260.50.016RootLocusRealAxisImaginaryAxis内环增益K如何变化，基于电容电流反馈的单位调节器内环控制始终是不稳定的。L1u4.2.2基于LCL的VSR内环结构设计图4-15基于反馈的单位调节器内环控制结构L1u其内环根轨迹如右图所示高等电力电子技术-6000-5000-4000-3000-2000-10000-1.5-1-0.500.511.5x1040.0350.070.1150.160.230.320.480.750.0350.070.1150.160.230.320.480.752e+0034e+0036e+0038e+0031e+0041.2e+0041.4e+0042e+0034e+0036e+0038e+0031e+0041.2e+0041.4e+004UL2UL2UL2UL1UL1UL1UL1ICICICICIL1IL1IL1IL1IL1IcUL2/UCUL1iL1Ci4.2.2基于LCL的VSR内环结构设计为了最终确定最优的内环反馈变量，以下将对上述五种反馈变量所构成的单位调节器内环进行综合比较，为对比方便，将五种反馈变量构成内环的根轨迹画在一起，如图4-17所示。图4-17五种反馈变量所构成的单位调节器内环的根轨迹1）当以、、作为反馈变量时，所构建的基于单位调节器的系统内环是不稳定的。2）而当以和作为反馈变量时，所构建的基于单位调节器的系统内环总是稳定的。3）对比基于和反馈的单位调节器系统内环控制发现，采用反馈时，系统阻尼比较小，而采用反馈时，系统阻尼比可在较大的范围选择。L2uCuL1uCiL1iCiL1iL1iCi因此，基于LCL的VSR应采用以电容电流作为反馈变量的内环结构。Ci高等电力电子技术1）VSI直流侧多采用整流电源或蓄电池等供电，因此一般无需直流电压反馈。2）为了提供稳定的交流输出电压，输出电压的闭环控制是必须的。3）对于输出采用LC滤波器的VSI而言，由于LC滤波器的谐振特性，输出电压单闭环的VSI控制可能存在系统稳定性问题，为此也可以通过引入内环控制来提高系统稳定性。与基于LCL的VSR内环设计一样，内环的反馈变量选择并不唯一。4.2.3基于LC的VSI内环结构设计高等电力电子技术图4-18基于LC的VSI输出电压单闭环控制结构图4-18为基于LC的VSI输出电压单闭环控制结构，显然，根据LC滤波器的电参数，内环的反馈变量有三种选择，即：电容电流、电感电流或电感电压。调节器PWMK1sLRiuoiC*uCuLi1sCCiCuLu4.2.3基于LC的VSI内环结构设计CiLiLu对于基于LC的VSI控制而言，考虑到VSI输出电压控制的抗扰特性，因此可以通过比较其稳定性、抗扰性等指标来进行控制内环变量的选取，具体分析如下：高等电力电子技术（1）电容电流/电感电流反馈图4-19基于电感电流反馈的单位调节器内环控制结构图4-20基于电容电流反馈的单位调节器内环控制结构分析对比图4-19、图4-20所示的两种控制结构，当不考虑负载电流扰动时，电感电流反馈与电容电流反馈具有相同的单位调节器控制结构，也就是说从跟随给定的控制性能上