基于电网电压定向的双闭环并网控制策略

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1、基于电网电压定向的双闭环并网控制策略在单级式并网系统中，由于没有前级，无法实现直流母线电压的稳定，因此需通过并网逆变器实现直流母线电压的控制，故采用电压外环，电流内环的双闭环控制策略。电压外环的作用是稳定直流母线电压，可通过引入一个PI调节器实现无静差控制，其给定为MPPT输出的最大功率点电压。电流内环分为有功电流内环和无功电流内环，分别引入一个PI调节器控制。有功无功电流的分离可以通过电网电压定向的矢量控制实现，所谓电网电压定向即在同步旋转坐标系下，电网矢量£与d轴重合。基于电网电压定向的三相VSI的输出电流矢量图如图3-4所示，阁中，/为逆变器

2、侧电流矢量，£为电网矢量，ea、为电网电压矢量E在静止坐标系下的分量，za、分别为逆变器侧电流矢量J在静止坐标系下的分量，fd、Zq分别为逆变器侧电流矢量/在旋转坐标系下的分量。图3-4基于电网电压定向的三相VSI的输出电流矢量图电网电压定向后，有ed=

3、£

4、,eq=0,结合瞬时功率理论，可得电网有功功率+eqZq)='

5、ed/d和无功功率的表达式如式(3-4)，从该式可知，若电网电压不变，则可以通过zd和zq间接控制并网的有功功率和无功功率。(3-4)直流侧输入有功功率p=Zdct/dc,不考虑逆变器损耗,则根据上式可得式(3-4)。从该式可知，

6、直流侧电压^可通过交流侧电流zd控制，即电压外环的输出可以作为有功电流的给定//。3P=iA=2e^(3一4)(1)电流内环的设计电流A环在dq静止坐标系下进行设计，在dq静止坐标系下有以下关系1+/?—coL(oLLp+R式中，ed、eq电网电压£在么q轴上的分量；/d、分别为逆变器桥臂侧电流矢量/在d、q轴上的分量；Vd、Vq分别为逆变器桥臂&压矢量V在d、q轴上的分量；为微分算子。从式(3-5)可以看出，电流在d、q轴上的分量是互相耦合的，为实现解耦控制，采用前馈解耦控制策略。电流内环采用的是PI调节器，则vd、、的控制方程Vq=一(尺，P+

7、-^)(?q一’q)一^Zd+(3'6)Svd=—(X,P+—±)(^d_/d)+⑺Li+ed(3-7)s式中，//、<分别为电流Zd、zq的给定值；为比例增益；为积分增益。根据式(3-6)、(3-7),可以画出如图3-5所示的电流内环控制结构。//由电压外环的输出给定，zq*给定值为0，fd、由两个相同的Pr凋节器独立控制。阁3-5电流内环控制结构根据电流内环的控制结构，可以画出其控制框图，如图3-6。该框图不考虑电网电压扰动，采样保持器用一个小惯性环节1/(7>+1)代替，7；为开关管采样周期，逆变器也可以等效为一个小惯性环节，时间常数为采样周

8、期rs的一半，设逆变器的增益为尺PWM，贝U逆变器环节可以等效为尺pwm/(0.57>+1)。图屮，Ti=K況/K^o1TjS+1KiPTjS^PWMi/R7>+1►►0.57>+l►1+(1卿图3-6电流内环控制框图电流内环按典型I型系统设计，令rz=L/7?，并合并小时间常数，则根据图3-6的控制框图，可得电流内环的开环传递函数呎,，•为Ar,XI.57^+1)(3-8)PWM按照典型I型系统最优参数设计原则，令阻尼比$=0.707吋，可得最优控制效果,此吋可得4、心数值(3-9)(2)电压外环的设计在对电压外环进行设计时，需考虑电流内环的影响

9、。根据前面得出的电流内环开环传递函数，在开关周期7；较小时，可以将其闭环传递函数％/简化为式(3-10),从该式可看出，电流内环相当于一阶惯性环节。11+37>(3-10)在稳态时，直流母线电压为［4,结合式(3-4),可以推出直流侧电流zde与电流内环输出电流/d的关系为3ed2人以3-11)考虑电压外环的采样周期，需在电压外环的控制结构中，加入一小吋间常数的惯性环节。这样就可以画出电压外环的控制框图，如图3-7所示。图中，Tl{为电压外环采样吋间常数；K/P为电压外环比例增益；积分吋间常数，TH=KllP/Kldf/Ci为积分增益；C为直流母线

10、侧电容。图3-7电压外环的控制框图将电压外环采样时间常数7；与电流环的惯性环节37；合并，可以得到等效时间常数7^=7；+37；。根据阁3-7电压外环控制框阁，可以得到其开环传递函数为(3-12)3尺(厂J+1)QU2C/dcrMC52(7eK5+l)由式3-12可知，电压环为典型II型系统，设A为中频带宽，则有CMC"dc(A+l)^Teue,(3-14)当A=5时，可以得到最优控制，此时电压外环的PI调节器的比例增益和积分增益分别为(3-15)