帶LCL濾波特性的變換器控制技術研究.pdf

1、隨著科學技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代社會對電力電子變換器的系統(tǒng)性能、轉換效率、功率密度、性價比等方面的要求也逐漸提高。因為有利于變換器體積重量的降低以及高頻開關紋波的抑制，近年來LCL型電路拓撲得到了廣泛的研究及應用。本文以LCL型電力電子變換器為研究對象，主要針對輸出電壓控制時負載擾動抑制、輸出電流控制時有源阻尼以及旋轉坐標系下的解耦控制等問題進行了深入細致的研究。
　　本文首先結合電力電子變換器脈寬調制環(huán)節(jié)的數(shù)字控制實現(xiàn)形式，依據(jù)狀態(tài)

2、空間法及采樣控制理論推導了PWM變換器橋式電路的數(shù)學模型。在包含變換器橋式電路、無源濾波器和工頻變壓器的通用三相 LCL型主電路拓撲基礎上，針對輸出電壓和輸出電流兩種不同的控制目標，建立了相應的數(shù)學模型，為后文的負載擾動抑制、單狀態(tài)反饋有源阻尼、旋轉坐標系下多變量狀態(tài)反饋控制研究奠定了理論基礎。
　　對于工頻變壓器置于LC型無源濾波器后端所構成三相LCL型電壓控制變換器，在電容電壓單環(huán)控制的基礎上，提出采用負載電流前饋控制策略抑制

3、負載變化對輸出電壓的擾動影響。通過電路方程直接變換的方法可以推導得到負載電流全前饋策略，并且根據(jù)變換器的輸入輸出關系可知，負載電流前饋與電容電壓閉環(huán)調節(jié)相互獨立。由仿真結果可知，雖然負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容易在負載突變時刻放大噪聲，嚴重破壞變換器動態(tài)性能，給實際運行帶來安全隱患。因此，本文對全前饋函數(shù)進行了必要的簡化，提出一種簡化前饋策略以同時獲得滿意的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)響應?；谙到y(tǒng)

4、輸出阻抗的詳細分析對比，簡化前饋策略可以有效抑制負載電流中占主導地位的低頻分量的擾動，盡管對高頻分量擾動的抑制能力相對有限，但在實際系統(tǒng)運行中仍可接受。由Matlab仿真和樣機實驗結果可知，采用簡化前饋策略后，LCL型逆變電源輸出電壓具有令人滿意的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，即證明了簡化前饋策略的有效性。除此之外，關于電路參數(shù)偏移，簡化前饋策略也展現(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載電流前饋方程。

5、r>　　對于采用 LCL型無源濾波器的電流控制變換器所面臨的穩(wěn)定性問題，在現(xiàn)有的無源阻尼及連續(xù)域下單狀態(tài)反饋有源阻尼設計方法的基礎上，本文將數(shù)字控制一拍滯后和脈寬調制的零階保持效應加入狀態(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，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自然

6、振蕩頻率變化以及實際系統(tǒng)所面臨的硬件成本等方面的比較，總結了一套不同r值下最合適的單狀態(tài)有源阻尼策略選擇方法。最終，針對一臺r=0.1044的三相LCL型并網(wǎng)逆變器樣機，根據(jù)不同阻尼策略間的比較分析結果，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)設計過程，并通過樣機實驗結果證明了輸出電流微分反饋策略的阻尼效果。
　　在旋轉坐標系下對三階 LCL型電流控制變換器實施控制時，控制對象在兩個旋轉坐標軸之間存在三對交叉耦合項

7、，解耦控制實現(xiàn)難度較大。基于復矢量的分析方法，本文推導了一種多變量狀態(tài)反饋控制策略，該策略相對于當前應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，而且能同時實現(xiàn)控制對象諧振阻尼、dq解耦以及由于極點的靈活配置而獲得動態(tài)響應的顯著改善。通過閉環(huán)頻率特性的詳細分析可知多變量狀態(tài)反饋控制策略具有較高的魯棒性。由仿真和實驗結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，當把多變量狀態(tài)反饋控制方法應用于LC型電壓控制變換器時，同樣