电流闭环对三相PWM变流器输出阻抗的影响分析.pdf

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第44卷第20期2016年10月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVOI_44NOI2O0ct.16.2016D0I:10.7667/PSPC151761电流闭环对三相PWM变流器输出阻抗的影响分析黄长亮,姜一呜,周辉(武汉大学电气工程学院,湖北武汉430072)摘要:三相PWM变流器输出阻抗对其输出特性以及并网系统稳定性有着重要的影响。现有阻抗的研究多集中关注由变流器输出阻抗导致的交互影响问题,而对变流器本身输出阻抗特性分析较少。以三相PWM整流器为例,用小信号方法建立了整流器的开环阻抗模型以及考虑电流环和锁相环之后的阻抗模型,分析了电流环的引入对整流器阻抗的影响以及电流环参数与阻抗的关系。结果表明,与开环控制相比,引入电流环之后整流器的导纳幅值整体减小,在低频段减小的幅度与电流控制器的积分参数有关,在高频段减小的幅值与电流控制器的比例参数有关。仿真结果验证了分析方法的有效性和分析结果的正确性。关键词:等效输出阻抗;控制参数;三相PWM变流器;小信号Influenceofcurrentclose--loopcontrolontheoutputimpedanceofthree-・phasePWMconverterHUANGChangliang,JIANGYiming,ZHOUHui(SchoolofElec ̄icalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)—Abstract:TheimpedanceofthreephasePWMconveaeriScritica1toitsoutputcharacterandalsohasinfiuencetothewholesystem.Thecurrentresearchismostlyfocusedontheinteractioncausedbyoutputimpedanceandthesuppressionmethodtotheinteraction.However,littleliteraturepaidattentiontotheoutputimpedanceitself.Usingsmall-signal—method,theimpedancemodelofconverterisestablishedinthecaseofopen-loopcontrolandcloseloopcontrolconsideringthecurrentloopandphaselockloop.Theinfluenceofintroducingthecurrentloopandthecurrentcontrol—parameterontherectifieroutputimpedanceisstudiedbasedonthesmallsignalmode1.Theresultshowsthattheintroducingofcurrentloopwillreducetheamplitudeofoutputadmittanceofrectifier.Thedecreaselevelinthelowfrequencyrangeismainlyrelatedtotheintegralparameterofcurrentcontrollerandthedecreaselevelinthehighfrequencyrangeismainlyrelatedtotheproportionparameter.Thesimulationresulttestifiesthevalidityoftheresult.ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.51277137,No.51177113,andNo.51190102).—Keywords:equivalentoutputimpedance;controlparameter;threephasePWMconverter;smallsignal0引言三相PWM变流器由于控制灵活、功率因素可调等优点,成为了新能源并网L1。J,电机驱动【4J等场合的重要接口。三相PWM变流器根据其控制策略不同,可以分为电流源型变流器和电压源型变流器IoJ。线性化之后,根据诺顿定理,电流源型变流器可等效为电流源与导纳并联的模型,根据戴维南定理,电压源型变流器可等效为电压源与阻抗串联基金项目:国家自然科学基金资助项目(51277137,51177113)国家自然科学基金重大项目(51190102)的模型。由于在控制上难以实现与并网点电压的完全解耦,变流器无法控制为理想的电流源或电压源,即等效电路中的内导纳或内阻抗不可能控制为零。在强电网下由于电网的等效阻抗可忽略,变流器与电网之间的耦合很小。但新能源的并网逆变器和电机驱动的整流器所接入的配电网,通常为等效阻抗不能忽略的弱电网。在弱电网下,变流器由于输出阻抗的存在会与弱电网以及其他变流器耦合,产生交互影响,进而影响到系统的电能质量【7]甚至对稳定性造成影响【10-111。由于变流器的输出阻抗对变流器本身输出特性以及整个并网系统具有重大影响,因此对于变流器黄长亮,等电流闭环对三相PWM变流器输出阻抗的影响分析一129-阻抗的研究引起了国内外学者广泛的关注。文献『12.14]建立了变流器的诺顿等效模型,研究了多并网逆变器之间阻抗耦合产生的交互影响以及交互影响所带来的谐振和稳定性问题。而这些文献多集中关注对变流器输出阻抗的建模以及由变流器输出阻抗导致的交互影响问题,并没有对变流器输出阻抗本身的特性进行分析。文献[151虽然研究了变流器的阻抗特性,并且分析了控制环增益对阻抗的影响,但其研究对象是DC/DC变流器。文献[16]建立了LCL滤波型整流器的阻抗模型,对其阻抗特性进行了研究。但其研究重点是分析前馈控制,电容电流反馈控制对LCL滤波型整流器谐振的抑制作—用。而文献[1718】仅研究了锁相环参数对变流器阻抗特性的影响,对控制环和阻抗之间的关系没有进行研究。本文以三相PWM整流器为例,用小信号方法建立了整流器的开环和电流闭环模型,研究了电流闭环的引入以及电流环PI控制器参数对整流器输出阻抗的影响,有助于加深对整流器输出阻抗特性的认识,为由阻抗引起的交互影响问题的研究提供了一定的理论基础。1整流器的阻抗模型1.1开环阻抗模型开环阻抗模型指在整流器开环控制也就是由轴占空比都给定为常数时的阻抗模型。如图1所示。DdD图1整流器的开环控制Fig.1Openloopcontroloftherectifier‰图中,,甜。指电网端口电压,为滤波电感,C为直流侧电容,为直流负载。用状态空间平均法,以滤波器电感电流以及直压侧电容电压为状态变量,交流电压和占空比为输入变量列出状态方程:昙[]=[]一[三一oJ]L『 ̄J]一[窆]。dt=C[“Liq的乘积,是个非线性方程。将该方程小信号线性化并进行拉普拉斯变换得到:fZsL-Dd一国Ls—l9^Vdc,—L,南上[[[1,‘Jc=f=【图2小信号模型等效电路Fig.2Equivalentcircuitofsmallsignalmodel由开环控制时占空比扰动等于0,得到—『LsLeo]fLeoLsDqf卜一DqCs+1/Rj+厶“RCs+1+碰RC“s1^。=oJLg ̄J3,一砒RC“sJ。1+厶RCs+1因此,整流器的输出阻抗即为(1):+厶RC“s+1∞DdDq+LRC“sJ。1DdDq一砒RCs+1RCs+1方程中存在输入变量幽,dq与状态变量。,,输出导纳可对式(5)求逆求得。●●●●●●●●1,JR,/“Q一130-电力系统保护与控制::IYy&ddYyindql(6)LinqdinqqJ由于阻抗和导纳之间是一个互逆的关系,在后文中表述上对阻抗特性和导纳特性,阻抗模型和导纳模型并不加以区分,统一以阻抗模型和阻抗特性来表述。1.2考虑电流环后的阻抗模型加入电流闭环后,系统的控制框图如图3所示。图3考虑电流环的系统结构框图Fig.3Systemblockconsideringthecurrentloop图中和分别表示交流电压扰动量和占空比扰动量,G是从占空比到交流电流的传递函数矩阵,可以在式(2)令电压扰动等于0求得。是开环控制时整流器的输出导纳。为电流环控制器传递函数,本文所采用的是PI控制。=i+0‘0i+‘与开环相比,加上电流环控制之后,占空比扰动不再等于零。整流器输出导纳为,=(I+G)(8)其中,为二阶单位矩阵。1.3考虑锁相环和电流环的阻抗模型锁相环是连接系统坐标系和变换器坐标系之间的桥梁。稳态时系统坐标系和变换器坐标系没有差别,在动态过程中,由于锁相环无法完全跟踪系统的相位和频率,使得变换器坐标系与系统坐标系之间产生差别,通过控制回路最终影响系统的阻抗。控制中有两处用到了锁相环。一是采样电流与指令电流比较时,对采样电流用到砌变换。二是砌轴占空比到abc轴占空比用到的砌反变换。这两者都会对阻抗产生影响。一方面,当电压发生扰动时,锁相环输出也会变化,导致电流砌变换的值发生变化,最终通过控制环会反映到实际输出电流。这中间从电压扰动到电流扰动产生一个阻抗通道。另一方面,当电压发生扰动锁相环输出发生变化时,会导致对占空比的砌反变换产生影响。导致最终形成的abc坐标系的占空比发生变化,从而直接影响输出电流。如图4所示。与上述两方面对应,图中的G.和G.分别表示电压扰动到占空比扰动和电流扰动的传递函数。上标C和S是为了区分变换器坐标系和交流侧系统坐标系中的量。I一一一一一一一一一一一一一一一IFig.4SystemblockconsideringthecurrentloopandPLL系统坐标系与变换器坐标系之间占空比和电流都存在一个转换关系,如式(9)和式(10)所示。。0料lIl一GPJIJ。0料lql一GPj令[:][:一D ̄GpLLLj由上述框图求得从电压到电流的闭环传递函数(输出导纳1为:(,+6Gc)。。I一GjGc6十66l(11)2整流器的阻抗特性分析2.1开环阻抗特性图5为式(5)所示的波特图,同时将滤波电感的阻抗以及直流侧RC网络的阻抗也画在了分量的波特图中。参数如表1所示。从图5可以看出,在高频部分与滤波电感的阻抗一致,低频部分的阻抗与直流侧RC网络的阻抗相差倍,随着D的增大,两者逐渐重合。中频部分的谐振点由直流侧电容与交流侧滤波电感产生。黄长亮,等电流闭环对三相PWM变流器输出阻抗的影响分析.131.表1整流器参数Table1Parameteroftherectifier图5开环阻抗特性Fig.5Impedancecharacterofopenloopcontrolledrectifier2.2电流环对阻抗特-眭的影响展开式(8)得到各元素的幅值为IYi川I=I(11g。f+1)yi川+gidl2gYii121l>IYini1111:I=I(g。g+1)一:+gid12gcYen一肥:I>l一:IlYl=lgid21gYi川+(::g+1)Yif21I>lYf21lIYi221=Ig2lgfYff21+(g22g+1)i122>IYi122l(12)式中:gidl1,g12,girl21,gid22分别表示Gid的各元素;gc表示Gc对角线元素,即PI控制器传递函数;Yil11,i112Yff21,ff22表示f,的各元素。由式(12)可知各元素的幅值都大于f中相应元素的幅值。因此电流环的引入将降低输出导纳的幅值。降低的幅度与相关。g=kpi+1,//(13)在高频段/可以忽略,g。kpi;在低频段kp相对较小,可以忽略,g。kis。因此PI控制器的比例参数j主要影响高频部分幅值的降低程度,积分参数.主要影响低频部分幅值的降低程度。为了进一步验证上述推导,将不同参数的电流环的输入阻抗与开环输入阻抗进行了比较。图6是式(8)所示的考虑电流环后的导纳的波特图。电流环PI控制器参数如表2所示。匡匡80。三===::36。0c..][一==———————【.。........................。....【...................-...-・.......--......塞100E=l——‘;;;%一:==::::『.。1频率/Hz图6电流环对导纳的影响Fig.6Influenceofcurrentontheadmittanceofrectifier表2电流环PI控制器参数Tlable2Parameterofthecurrentcontroller从图6可以看出,从幅值上讲,引入电流闭环之后整流器的输出导纳整体降低,这是由于闭环控制的引入抑制了电压扰动对电流输出的影响。导纳降低的程度与电流环PI控制参数相关。以COo=ki/k为分界点,在。以下输出导纳降低的程oCO∞度主要与岛有关,在0以上输出导纳降低的程度主要与有关。图6所示的是不考虑锁相环时电流环控制参数对输出导纳的影响。根据文献[17.181,锁相环相当于在原有导纳的基础上并联了一个导纳,而且锁相环只影响幽轴和曰轴,即图6和图7中的右边两项。图7为式(11)所示的ilpll的波特图。电流环控制参数如表2所示。锁相环的比例积分参数分别为8和25。对比图7和图6可知,两者轴和轴的导纳没有区别。而图7中砌轴和轴虽然另外并联了一个由锁相环产生导纳,但电流环参数对导纳的影响同样满足图6分析得出的结论。3仿真验证为了验证本文研究的电流环参数对三相PWM整流器阻抗的影响,在Matlab/Simulink中分别建立整流器开环和电流闭环控制模型。由于方法的相似0OOOO一晕.132.电力系统保护与控制图因180360曼———掣【…一I.一.I∞lO0藿:一;28垂0。一360图圈10 ̄101010310i0 ̄101021010频率/Hz图7考虑锁相环后电流环对导纳的影响Fig.7InfluenceofcurrentontheadmittanceofrectifierconsideringthePLL性和篇幅限制,这里只验证轴的阻抗。在d轴中加入1Hz,2Hz,4Hz,6Hz,8Hz,10Hz,20Hz,30Hz,40Hz,50Hz,60Hz,70Hz,80Hz,90Hz,100Hz,200Hz,500Hz的电压扰动,测量d轴电流并进行FFT,求得在各频率点处的导纳。首先验证电流环的引入对整流器导纳的影响。图8表示的是开环和闭环控制时整流器轴导纳,月横坐标单位为Hz,纵坐标单位为dB。结构参数和开环控制参数如表1所示,电流环的控制参数为=1,ki=100。_0E\\_。\———L’’一球}P—\/rr._.^一_L//lO。‘lOlOl0频率/Hz图8开环与闭环导纳比较Fig.8Comparisonofopen-loopandclose-loopadmittance从图8仿真结果可以看出,引入闭环控制后,变流器的导纳明显减小,与图6的分析结果一致。下面验证不同的电流环参数对整流器导纳的影响。图9给出了不同电流环控制参数下,变流器导纳仿真结果。一4O6()80要o0馨一12014016O^p=0.2.tI)0l尸__\/:詹k,t享.1/‘%\≯==I.膏:=f(___对比=1,ki=lO0和:1,k ̄=10两条曲线可知,在30Hz以下,两者相差非常大,而在30Hz以上两者几乎重合。这是由于两者电流环的相等‰而不同。对比=1,ki=1O0和=0.2,k ̄=100两条曲线可知,在10Hz以下,两者相差非常小,而在10Hz以上两者的差别很大,这是由于两者电流环的不同,而岛相同。图9的仿真结果与图6的分析结果相一致。由以上的分析结果可知,整流器输出阻抗和电流环的控制参数密切相关。而在不同的并网环境下,对变流器输出阻抗特性要求不同,可根据不同的要求,按照以上的规律在现有控制器参数的基础上,优化电流环控制参数,有目的地改善整流器高频或低频阻抗特性,提高整流器对电网的适应性。4结论本文建立了变流器开环阻抗模型以及考虑电流环和锁相环之后的阻抗模型,分析了电流环的引入对变流器阻抗的影响以及电流环参数与阻抗的关系。通过理论分析和仿真验证得出以下结论:11电流环的引入相对开环控制来说整流器的导纳在全频段内幅值减小。2)整流器导纳幅值减小的程度与PI控制器的参数有关,比例参数参数决定了高频段减小的程度,积分参数ki参数决定了低频段减小的程度。参考文献[1]徐军,王琨,翟登辉,等.一种基于新型载波同相层叠PWM方法的飞跨电容型光伏发电并网技术[J】.电力系统保护与控制,2015,43(12):134.139.—XUJun,WANGKun,ZHAIDenghui,eta1.Gridconnectedphotovoltaicpowergenerationtechnologywithflyingcapacitorinverterbasedonnovelcarrier-baseddispositionPWMmethod[J].PowerSystem黄长亮,等电流闭环对三相PWM变流器输出阻抗的影响分析一l33.ProtectionandControl,2015,43(12):134-139.[2]姚致清,张茜,刘喜梅.基于PSCAD/EMTDC的三相光伏并网发电系统仿真研究【JJ.电力系统保护与控制,2010,38(171:76.81.YAOZhiqing,ZHANGQian,LIUXimei.Researchonsimulationofathree..phasegrid..connectedphotovoltaicgenerationsystembasedonPSCAD/EMTDC[J].Power—SystemProtectionandControl,2010,38(171:7681.[3]姚致清,于飞,赵倩,等.基于模块化多电平换流器的大型光伏并网系统仿真研究【J].中国电机工程学报,20l3.33(36):27.33.YAOZhiqing,YUFei,ZHAOQian,eta1.Simulationresearchonlarge..scalePVgrid--connectedsystemsbased—onMMC『J].ProceedingsoftheCSEE,2013,33(36):2733.[4]李立毅,于吉坤,曹继伟,等.基于PWM逆变电路供电的永磁同步电机电压和电流的谐波通用型新算法[J】.中国电机工程学报,2015,35(23):6203.6213.LILiyi,YUJikun,CAOJiwei,eta1.AuniversalandnewharmonicalgorithmofvoltageandcurrentofpermanentmagnetsynchronousmotorssuppliedbyPWMinverter[J].ProceedingsoftheCSEE.2015.35(23):6203-6213.[5]李娜,王晓亮.集群空调负荷提供微电网调频备用研究[J].电力系统保护与控制,2015,43(19):lO1.105.LINa.WANGXiaoliang.Researchofairconditionersprovidingfrequencycontrolledreserveformicrogrid[J].PowerSystemProtectionandControl,2015,43(19):1O1.1O5.[6]李浩然,杨旭红,冯成臣.多逆变器并联下的输出阻抗分析和改进下垂控制策略研究[J].电力系统保护与控制,20l5.43(20):29-35.LIHaoran,YANGXuhong,FENGChengchen.Controlstrategyresearchofoutputimpedanceanalysisandimproveddroopcontrolbasedonmultiple.invertersparallel[J].PowerSystemProtectionandControl,2015,43(20):29・35.[7]WANGF,DUARTEJL,HENDRIxMAM,eta1.ModelingandanalysisofgridharmonicdistortionimpactofaggregatedDGinverters[J].IEEETransactionson—PowerElectronics,2011,26(31:786797.[8]孙振奥,杨子龙,王一波,等.光伏并网逆变器集群的谐振原因及其抑制方法[J1.中国电机工程学报,2015,35(2):418-425.’SUNZhenao,YANGZilong,WANGYibo,eta1.Thecauseanalysisandsuppressionmethodofresonancesinclusteredgrid.connectedphotovoltaicinverters[J].ProceedingsoftheCSEE,2015,35(2:418-425.[9]胡伟,孙建军,马谦,等.多个并网逆变器间的交互影响分析『J】.电网技术,2014,38(9):25l1.2518.HUWei.SuNJianjun,MAQian,eta1.Interaction—analysisofmultipleparalleledgridconnectedinverters[J].—PowerSystemTechnology,2014,38(9):25l12518.[10]RADWANAAA,MOHAMEDYARI.Stabilizationofmedium-frequencymodesinisolatedmicrogfidssupplyingdirectonlineinductionmotorloads『J1.IEEETransactionsonSmartGrid,2014,5(11:358.370.[11]TURNERR,WALT0NS,DUKER.AcasestudyontheapplicationofthenyquiststabilitycriterionasappliedtointerconnectedloadsandSOl/teesongrids[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics2013,60f71:2740.2749.[12]陈新,张呖,王赞程.基于阻抗分析法研究光伏并网逆变器与电网的动态交互影响fJ].中国电机工程学报,—2014,34(27):45594567.cHENXin,ZHANGYang,WANGYuncheng.AstudyofdynamicinteractionbetweenPVgrid.connectedinvertersandgridbasedontheimpedanceanalyrsismethod[J].ProceedingsoftheCSEE,2014,34(27):4559-4567.[13]wANGXF,BLAABJERGF,LISERREM,eta1.Anactivedamperforstabilizingpower..electronics.-basedACsystems[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2014。29(71:3318-3329.[14]杨东升,阮新波,吴恒.提高LCL型并网逆变器对弱电网适应能力的虚拟阻抗方法[J].中国电机工程学报,2014.34(151:2327-2335.YANGDongsheng.RUANXinbo.WUHeng.AvirtualimpedancemethOdtoimprovetheperformanceofLCLtyped-connectedinvertersunderweakdconditions[J].ProceedingsoftheCSEE,2014,34(151:2327.2335.[15]马瑜,邱苍宇,张军明,等.全桥DC/DC变流器模块阻抗特性研究【J].电工技术学报,2007,22(7):42.46.MAYu,QIUCangyu,ZHANGJunming,eta1.ResearchonimpedancecharacteristicsoffuUbridgeDC/DCconvertermodules[J].TransactionsofChinaElectrotechnica1Society,2007,22f7):42.46.[16]李芬,邹旭东,邹云屏,等.并网LCL滤波的PWM整流器输入阻抗分析【J].电工技术学报,2010,25(1):97-103.LIFen,ZOUXudong,ZOUYunping,eta1.InputimpedanceanalysisofLCL.filterPWMrectifierconnectedtogrid[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety.—2010.25(11:97103.117JWENB,BOROYEVICHD,MATTAVELLIP,eta1.Influenceofphase1ockedlooponinputadmittanceof——threephasevoltagesourceconverters[C】//AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition(APEC),—2013:897904.1183WENB,BOROYEVICHD,MATTAVELLIP,eta1.Smal1.signalstabilityanalysisofthree.phaseACsystemsinthepresenceofconstantpowerloadsbasedonmeasuredD.Qframeimpedances[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2014,30(10):5952.5963.收稿日期:2015-1O-01;—修回日期:2016-0511作者简介:黄长亮(1992一),男,硕士研究生,研究方向为直流微电网,多电平变换器的控制技术;姜一呜(1990一),男,硕士研究生,研究方向为微电网逆变器交互影响。E-mail:jymwhu@whu.edu.cn(编辑周金梅)
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