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[导读]摘要:针对传统无差拍控制无法实现有功功率与无功功率解耦控制的问题,在分析无差拍控制原理的基础上,提出一种新的无差拍控制策略,给出了无差拍控制策略占空比的计算方法。该控制策略将三相系统在d,q坐标系下的解

摘要:针对传统无差拍控制无法实现有功功率与无功功率解耦控制的问题,在分析无差拍控制原理的基础上,提出一种新的无差拍控制策略,给出了无差拍控制策略占空比的计算方法。该控制策略将三相系统在d,q坐标系下的解耦特性与a,b,c坐标系下的无差拍控制算法有机地结合在一起,不仅实现了有功功率与无功功率的解耦控制,同时还具有控制简单、控制精度高和动态响应快等优点。最后,通过Matlab/Simulink仿真和实验验证了该方案的正确性和有效性。
关键词:逆变器;无差拍控制;解耦控制

1 引言
      近年来,随着全球范围内能源紧缺和环境污染问题的日益突出,开发和利用可再生能源受到世界各国的广泛关注。并网逆变器作为发电系统与电网的接口设备之一,其控制技术一直是研究的热点。无差拍控制是一种数字化PWM控制方法,在数字控制技术不断发展的今天,数字化PWM控制方式具有更加广阔的应用前景。无差拍控制具有良好的动态响应,并可使输出电流快速、准确地跟踪参考电流。故将其应用到三相并网逆变器中,可提高逆变器的抗干扰能力。

2 三相并网逆变器无差拍解耦控制
2.1 三相并网逆变器无差拍控制原理
     无差拍控制的基本原理是在每一个开关周期开始时刻,采样并网逆变器输出电流i,并预测出下一周期开始时刻逆变器并网侧电流的给定值i*,由差值i-i*计算出开关器件的开关时间,使i在下一周期开始时刻等于i*。此方法虽计算量较大,但其开关频率固定,具有快速的动态响应。
三相并网逆变器原理图如图1所示,图中Udc为直流侧电压;ea,eb,ec,ia,ib,ic分别为三相电网电压及输出电流的瞬时值;L为滤波电感。


如图1所示,根据三相对称系统基尔霍夫电压定律,回路电压方程为:


设控制周期为T,将回路电压方程离散化,同时设电流参考值为,逆变器三相开关占空比分别为△du,△dv和△dw。由于T远小于电网基波周期,则在一个T内,可忽略三相电网电压和直流母线电压的变化。若认为在一个T内实现了各相电流对其参考值的无差跟踪,则得到一个T内的回路电压方程为:

以上3个电压环路彼此并不独立,相当于只有两个独立方程。由于逆变器上、下桥臂的导通在一个T内对等,则可得三相逆变器上桥臂3个开关器件的总导通时间与下桥臂3个开关器件的总导通时间在一个T内相等,即得到:
△du+△dv+△dw=1.5 (5)
联立式(4),(5)可求解得三相逆变桥的PWM信号的占空比为:

通过式(6)求得的△du,△dv,△dw控制逆变器的开关器件,得到所需要的逆变器输出波形,从而实现逆变器的无差拍控制。
2.2 三相并网逆变器功率解耦控制策略
根据瞬时功率理论,在d,q同步旋转坐标系下的有功功率和无功功率可表示为:
P=3(edid+eqiq)/2,Q=3(eqid-ediq)/2 (7)
当d轴以电网电压矢量定位时,即eq=0,则上式可写为:
P=3edid/2,Q=-3ediq/2 (8)
由式(8)可知,id,iq分别与P,Q成线性比例关系,调节id,iq就可分别独立地控制三相并网逆变器的P和Q,实现P和Q的解耦控制。三相并网逆变器无差拍解耦控制框图如图2所示。



3 仿真研究
     为验证这里电流无差拍解耦控制策略的正确性,在Matlab/Simulink的仿真平台中搭建了三相并网逆变器的仿真模型。参数为:直流母线电压500 V,电网相电压有效值220 V,电网电压频率50 Hz,变压器为升压型隔离变压器,三相滤波电感12 mH,交流侧总电阻0.01 Ω,开关频率9 kHz。
条件1 开始时刻,给定有功功率Pref=2 kW,给定无功功率Qref=0,在0.2 s时,Pref=10 kW,Qref=0。图3a为Pref突变时a相电压、电流仿真波形。


条件2 开始时刻,Pref=10 kW,Qref=0,在0.2 s时,Pref=10 kW,Qref突变为5 kvar。图3b为Qref突变时a相电压、电流仿真波形。
由图可见,无差拍解耦控制不仅能实现P,Q的解耦控制,同时还具有快速的动态响应。

4 实验结果
对所提出的无差拍解耦控制进行实验验证。实验参数为:直流母线电压500 V,电网相电压有效值220 V。变压器为升压型隔离变压器,IGBT开关频率为9 kHz,死区时间为2μs,交流侧滤波电感为12 mH。逆变器主控芯片为TMS320F28335,CPU时钟频率为150 MHz。该芯片是一种浮点芯片,与以前定点DSP相比,具有成本低,精度高,功耗小,A/D转换更精确、快速等特点。图4a为逆变器单位功率因数运行时实验波形,图4b为逆变器进行无功补偿时实验波形。实验结果表明,无差拍解耦控制能快速准确地跟踪电网电压,并网电流波形良好,不仅能运行于单位功率因数,而且还能对电网进行无功补偿。



5 结论
针对三相并网逆变器的特点,提出了一种新型无差拍控制策略。仿真和实验结果表明,这里提出的无差拍解耦控制策略计算简单,易于实现,控制精度高,具有良好的动态响应和稳态特性。不仅可以满足向电网输入高功率因数、高质量电能的要求,而且还可以对电网进行无功补偿。在太阳能发电、风力发电等可再生能源发电过程中具有较高的应用价值。

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