CN107395040A - 并网变流器复矢量pi控制器解耦与延时补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种并网变流器复矢量PI控制器解耦与延时补偿方法，以被控对象的矢量模型为基础，直接将控制器的零点设置在被控对象的极点处，得到复系数电流控制器模型；针对数字控制的一拍延时以及变流器固有的零阶保持特性，计算得到系统延时传递函数，通过在复矢量PI控制器后串联延时补偿项实现电流环的延时补偿。本发明为并网变流器的电流环设计提供了一种简便有效的方法，最大程度地抑制电流环d、q轴电流耦合问题，通过延时补偿增大系统的相角裕度，提高电流环的稳定性并改善动态响应性能。
Description
技术领域
本发明属于变流器电流控制技术领域，尤其涉及一种并网变流器复矢量PI控制器解耦与延时补偿方法。
背景技术
随着能源紧缺环境污染等问题日益严重，太阳能风能等新能源的开发利用日益加快，新型分布式发电技术越来越受到人们的重视。在分布式并网发电系统中，通过能源转换装置发出的电能，绝大多数都要通过并网变流器转换成与电网电压同频同相的交流电才能馈入电网。并网变流器在新能源发电装置和电网之间起到了必不可少的接口作用，成为新能源发电系统中重要的组成部分。
并网变流器的控制目标为电网电流，对电流控制的性能要求是较高的稳态精度和快速的动态响应。比例-积分(PI)控制器在控制领域有着非常广泛的应用，由于基波正序交流信号在同步旋转坐标系(synchronous reference frame，SRF)表现为直流量，因此直观上通过PI控制器在对直流分量提供的无穷大增益，便可实现对该直流信号的无静差调节，因此基于SRF的PI控制已经成为并网逆变器以及电机驱动等系统电流调节的工业标准长达20多年。然而尽管如此，至今针对SRF下电流环的PI控制缺乏深入的综合性研究。
被控对象在SRF会出现交叉耦合项，使得d、q轴电流的暂态调节响应相互影响，一方的调节过程会影响另一方。系统表现为一个两输入/两输出系统(考虑电网电压或者电机反电势作为扰动分量)，通常的矩阵方程不利于使用常规的分析工具(如根轨迹、频率响应等)展开研究，也不利于控制器参数的调节。
其次，对并网型逆变器而言，当电网电压存在谐波分量时，需要电流环能够抑制这些高次谐波的影响，抑或控制逆变器向电网注入期望的电流谐波，而电机驱动系统通常要求电机的调速能够进行大范围的调节，这都要求PI控制器能够对宽频率范围的电流信号进行控制。然而，随着控制频率(即SRF的同步频率)的升高，控制对象交叉耦合项的影响越大，系统容易出现震荡甚至不稳定的现象。为了抑制耦合项的影响，通常采用电流反馈解耦控制策略，在不考虑延时的情况下，该方法等效于将被控对象的复极点平移至实轴，从而可以通过实系数PI控制器的零点与之对消，将电流环变为一阶系统。然而，对于高性能控制器而言，延时毕竟是不可忽略的，尤其是当控制频率相对于开关频率较高时，延时会对反馈解耦产生影响，此外，并网电感参数随着温度的变化会变化，导致反馈解耦项不准确，影响电流环的控制性能，因此有必要对电流环的解耦和延时问题展开研究。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种并网变流器复矢量PI控制器解耦与延时补偿方法，实现并网变流器在SRF下的电流解耦，减少参数估值误差和延时对电流解耦的影响，提高了系统稳定性和抗扰动能力。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种并网变流器复矢量PI控制器解耦与延时补偿方法，具体包括以下步骤：
(1)对并网变流器网侧三相电流ia、ib、ic采样，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的坐标变换，得到d轴和q轴实际电流分量id、iq；
(2)分别将d轴和q轴给定电流分量id *、iq *与d轴和q轴实际电流分量id、iq做差，并写成矢量形式，作为电流控制器的输入；
(3)经过复矢量PI控制器解耦和延时补偿计算，得到调制模块的调制波信号；
(4)经过调制模块运算得到六路PWM开关信号，以控制并网变流器主电路功率开关管，实现电流的解耦和延时补偿控制。
步骤(3)中复矢量PI控制器解耦控制步骤为：
(1)被控对象的矢量模型为可知被控对象具有复数极点-RL/L-jωe；其中，L为电感值，RL为电感电阻，j·ωe·L是耦合项；
(2)直接将控制器的零点设置在被控对象的极点处，由被控对象矢量模型可得复矢量PI控制器结构为其中，为电感等效电阻估计值，为电感估计值，ωe为电网同步频率，
步骤(3)中复矢量PI控制器延时补偿控制步骤为：
(1)根据数字控制的一拍延时与变流器固有的零阶保持特性，得到实际系统延时环节其中，Td＝1.5*TPWM，TPWM为采样周期；在复矢量PI控制器后串联延时补偿得到带有延时补偿的复矢量PI控制器解耦模型；
(2)合并后延时补偿项为延时补偿角值为在控制频率处完全消除实际系统延时的影响。
有益效果：本发明的方法最大程度地抑制电流环d、q轴电流耦合问题，实现了并网电流d轴与q轴电流的独立控制以及并网有功与无功功率的独立调节，通过延时补偿后增大了系统的相角裕度，拓宽了电流环的使用范围，提高了系统的稳定性并改善了动态响应性能。
附图说明
图1是并网变流器主电路拓扑图；
图2是复矢量PI控制器电流环控制框图；
图3是考虑延时环节的复矢量PI控制器电流环控制框图；
图4是考虑延时补偿的复矢量PI控制器电流环控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的并网变流器复矢量PI控制器解耦与延时补偿方法具体包括以下步骤：
(1)对并网变流器网侧三相电流ia、ib、ic采样，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的坐标变换(abc/dq)，得到d轴和q轴实际电流分量id、iq；
(2)分别将d轴和q轴给定电流分量id *、iq *与d轴和q轴实际电流分量id、iq做差，并写成矢量形式(udq＝ud+juq)，作为电流控制器的输入；
(3)经过复矢量PI控制器解耦和延时补偿计算，得到调制模块的调制波信号；
(4)经过调制模块运算得到六路PWM开关信号，以控制并网变流器主电路功率开关管，实现电流的解耦和延时补偿控制。
复矢量PI控制器解耦控制步骤为：
(1)被控对象的矢量模型为可知被控对象具有复数极点-RL/L-jωe；
其中，L为电感值，RL为电感电阻，j·ωe·L是耦合项。
(2)直接将控制器的零点设置在被控对象的极点处，由被控对象矢量模型可得复矢量PI控制器结构为
其中，为电感等效电阻估计值，为电感估计值，ωe为电网同步频率，
复矢量PI控制器延时补偿控制步骤为：
(1)针对数字控制的一拍延时以及变流器固有的零阶保持特性，得到实际系统延时环节(Td＝1.5*TPWM，TPWM为采样周期)，在复矢量PI控制器后串联延时补偿得到带有延时补偿的复矢量PI控制器解耦模型；
(2)合并后延时补偿项为延时补偿角的值在控制频率处完全消除实际系统延时的影响。
下面结合实例进一步说明。
如图1所示是并网变流器主电路拓扑图，变流器通过电感L并网。其中，RL为电感电阻，ea、eb、ec为三相电网电压，通过电压互感器测量的线电压eab、ebc送入锁相环PLL，输出电压相位角θ，用于三相静止坐标系到两相旋转坐标系的坐标变换(abc/dq)，得到并网变流器在两相静止坐标系的数学模型：
根据矢量定义f12＝f1+j·f2，将式(1)写成矢量形式：
结合得到并网变流器在同步旋转坐标系下矢量表示的数学模型：
Vdq(s)＝(s·L+RL+j·ωe·L)·idq(s)+edq(s) (3)
忽略扰动电压edq(s)的影响，得到并网变流器的矢量模型为：
图1中PI电流控制器对应图2中的复矢量PI控制器部分，其传递函数为：
其中，Kp为比例环节系数，Ki为积分环节系数，k＝Kp/L。结合式(4)和图2，可以得到复矢量PI控制器解耦的电流环开环传递函数为：
由式(5)可以实现电流的解耦。如图3所示为考虑延时环节的复矢量PI控制器电流环控制框图，实际系统延时环节(Td＝1.5*TPWM，TPWM为采样周期)，有延时的电流环开环传递函数为：
由式(6)可知，延时项的存在会导致系统稳定裕度的减少，并不会对幅值裕度产生影响。图4中在前向通道中串联延时补偿得到带有延时补偿的复系数矢量电流环开环传递函数：
当设置时，式(7)和式(5)完全相同，即在控制频率处完全消除实际系统延时的影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种并网变流器复矢量PI控制器解耦与延时补偿方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)对并网变流器网侧三相电流ia、ib、ic采样，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的坐标变换，得到d轴和q轴实际电流分量id、iq；
(2)分别将d轴和q轴给定电流分量id *、iq *与d轴和q轴实际电流分量id、iq做差，并写成矢量形式，作为电流控制器的输入；
(3)经过复矢量PI控制器解耦和延时补偿计算，得到调制模块的调制波信号；
(4)经过调制模块运算得到六路PWM开关信号，以控制并网变流器主电路功率开关管，实现电流的解耦和延时补偿控制。
2.根据权利要求1所述的并网变流器复矢量PI控制器解耦与延时补偿方法，其特征在于：步骤(3)中复矢量PI控制器解耦控制步骤为：
(1)被控对象的矢量模型为可知被控对象具有复数极点-RL/L-jωe；
其中，L为电感值，RL为电感电阻，j·ωe·L是耦合项；
(2)直接将控制器的零点设置在被控对象的极点处，由被控对象矢量模型可得复矢量PI控制器结构为
其中，为电感等效电阻估计值，为电感估计值，ωe为电网同步频率，
3.根据权利要求1所述的并网变流器复矢量PI控制器解耦与延时补偿方法，其特征在于：步骤(3)中复矢量PI控制器延时补偿控制步骤为：
(1)根据数字控制的一拍延时与变流器固有的零阶保持特性，得到实际系统延时环节其中，Td＝1.5*TPWM，TPWM为采样周期；
在复矢量PI控制器后串联延时补偿得到带有延时补偿的复矢量PI控制器解耦模型；
(2)合并后延时补偿项为延时补偿角值为在控制频率处完全消除实际系统延时的影响。
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Application publication date: 20171124 Assignee: JIANGSU HUAPENG INTELLIGENT INSTRUMENT TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: SOUTHEAST University Contract record no.: X2021980000279 Denomination of invention: Decoupling and delay compensation method of complex vector PI controller for grid connected converter Granted publication date: 20200331 License type: Exclusive License Record date: 20210112 |