帶LCL濾波特性的變換器控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電力電子變換器的系統(tǒng)性能、轉(zhuǎn)換效率、功率密度、性價(jià)比等方面的要求也逐漸提高。因?yàn)橛欣谧儞Q器體積重量的降低以及高頻開關(guān)紋波的抑制，近年來(lái)LCL型電路拓?fù)涞玫搅藦V泛的研究及應(yīng)用。本文以LCL型電力電子變換器為研究對(duì)象，主要針對(duì)輸出電壓控制時(shí)負(fù)載擾動(dòng)抑制、輸出電流控制時(shí)有源阻尼以及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的解耦控制等問(wèn)題進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。
　　本文首先結(jié)合電力電子變換器脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)的數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)形式，依據(jù)狀態(tài)

2、空間法及采樣控制理論推導(dǎo)了PWM變換器橋式電路的數(shù)學(xué)模型。在包含變換器橋式電路、無(wú)源濾波器和工頻變壓器的通用三相 LCL型主電路拓?fù)浠A(chǔ)上，針對(duì)輸出電壓和輸出電流兩種不同的控制目標(biāo)，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，為后文的負(fù)載擾動(dòng)抑制、單狀態(tài)反饋有源阻尼、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下多變量狀態(tài)反饋控制研究奠定了理論基礎(chǔ)。
　　對(duì)于工頻變壓器置于LC型無(wú)源濾波器后端所構(gòu)成三相LCL型電壓控制變換器，在電容電壓?jiǎn)苇h(huán)控制的基礎(chǔ)上，提出采用負(fù)載電流前饋控制策略抑制

3、負(fù)載變化對(duì)輸出電壓的擾動(dòng)影響。通過(guò)電路方程直接變換的方法可以推導(dǎo)得到負(fù)載電流全前饋策略，并且根據(jù)變換器的輸入輸出關(guān)系可知，負(fù)載電流前饋與電容電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)相互獨(dú)立。由仿真結(jié)果可知，雖然負(fù)載電流全前饋策略能夠消除穩(wěn)態(tài)下輸出電壓的基波誤差，但全前饋函數(shù)所包含的高階微分項(xiàng)容易在負(fù)載突變時(shí)刻放大噪聲，嚴(yán)重破壞變換器動(dòng)態(tài)性能，給實(shí)際運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。因此，本文對(duì)全前饋函數(shù)進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，提出一種簡(jiǎn)化前饋策略以同時(shí)獲得滿意的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)?；谙到y(tǒng)

4、輸出阻抗的詳細(xì)分析對(duì)比，簡(jiǎn)化前饋策略可以有效抑制負(fù)載電流中占主導(dǎo)地位的低頻分量的擾動(dòng)，盡管對(duì)高頻分量擾動(dòng)的抑制能力相對(duì)有限，但在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行中仍可接受。由Matlab仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用簡(jiǎn)化前饋策略后，LCL型逆變電源輸出電壓具有令人滿意的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，即證明了簡(jiǎn)化前饋策略的有效性。除此之外，關(guān)于電路參數(shù)偏移，簡(jiǎn)化前饋策略也展現(xiàn)了良好的魯棒性。特別地，本文也給出了適用于LC型及單相LCL型電壓控制變換器的負(fù)載電流前饋方程。

5、r>　　對(duì)于采用 LCL型無(wú)源濾波器的電流控制變換器所面臨的穩(wěn)定性問(wèn)題，在現(xiàn)有的無(wú)源阻尼及連續(xù)域下單狀態(tài)反饋有源阻尼設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，本文將數(shù)字控制一拍滯后和脈寬調(diào)制的零階保持效應(yīng)加入狀態(tài)反饋分析，繪制了電容電流、電容電壓和輸出并網(wǎng)電流三種狀態(tài)變量分別采用比例、微分和積分三種反饋形式的控制對(duì)象廣義根軌跡圖。根據(jù)LCL型濾波器諧振頻率與數(shù)字控制采樣頻率之比r取不同數(shù)值時(shí)，各種方法所能獲得的系統(tǒng)最大阻尼系數(shù)、阻尼前后諧振頻率處的共軛極點(diǎn)自然

6、振蕩頻率變化以及實(shí)際系統(tǒng)所面臨的硬件成本等方面的比較，總結(jié)了一套不同r值下最合適的單狀態(tài)有源阻尼策略選擇方法。最終，針對(duì)一臺(tái)r=0.1044的三相LCL型并網(wǎng)逆變器樣機(jī)，根據(jù)不同阻尼策略間的比較分析結(jié)果，采用了輸出電流微分反饋有源阻尼策略，給出了具體的控制參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程，并通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了輸出電流微分反饋策略的阻尼效果。
　　在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)三階 LCL型電流控制變換器實(shí)施控制時(shí)，控制對(duì)象在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸之間存在三對(duì)交叉耦合項(xiàng)

7、，解耦控制實(shí)現(xiàn)難度較大?；趶?fù)矢量的分析方法，本文推導(dǎo)了一種多變量狀態(tài)反饋控制策略，該策略相對(duì)于當(dāng)前應(yīng)用廣泛的電容電流有源阻尼方法不再增加額外的采樣電路，而且能同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象諧振阻尼、dq解耦以及由于極點(diǎn)的靈活配置而獲得動(dòng)態(tài)響應(yīng)的顯著改善。通過(guò)閉環(huán)頻率特性的詳細(xì)分析可知多變量狀態(tài)反饋控制策略具有較高的魯棒性。由仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了多變量狀態(tài)反饋控制策略具有顯著的優(yōu)越性。此外，當(dāng)把多變量狀態(tài)反饋控制方法應(yīng)用于LC型電壓控制變換器時(shí)，同樣