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基于PI-QPR控制的双向变流器并网研究

王继虎;梁喆

【期刊名称】《《重庆工商大学学报（自然科学版）》》

【年(卷),期】2019(036)006

【总页数】5页(P95-99)

【关键词】双向变流器;准PR控制;无静差跟踪;空间矢量脉宽调制;双闭环控制

【作者】王继虎;梁喆

【作者单位】安徽理工大学电气与信息工程学院安徽淮南232001

【正文语种】中文

【中图分类】TM464;TM921.5

0引言

三相电压型双向变流器因其主电路拓扑及控制系统简单，且具备单位功率因数校正和功率双向流动等优点在以新能源为基础的微电网得到广泛应用。目前，三相电压型双向变流器的控制策略主要有PI控制、无差拍控制、滞环控制等技术[1-2]，PI控制具有算法简单和可靠性高的特点，被广泛应用于工业控制，但常规的PI控制对正弦参考指令却难以达到理想的控制效果[3]。滞环控制具有动态响应快和实现简单的特点，但是控制精度、损耗及开关频率会随着滞环宽度的变化而变化。无差拍控制虽然控制效果较好，但是对系统传感器的精度要求较高，控制过程中运算量较大，结构复杂不易实现[3]。

PR控制是在PI控制基础上提出来的，其具有无静差跟踪交流指令的优点，但是它对基波频率的精确度要求较高，不易于物理实现，在其基础上改进的QPR控制能够很好地弥补PR控制的不足，而且实现起来更加方便[4]。为了获得更好的控制效果，将PI控制与QPR控制相结合对双向变流器进行控制，控制环路中，电流内环采用QPR控制器，目的是实现对输入电流的无静差跟踪，电压外环采用PI控制器，实现负载突变时对直流侧电压控制的快速性，减小对电流内环控制的影响。

1拓扑结构及数学模型

所研究的双向变流器采用三相电压型半桥电路结构，主电路拓扑如图1所示。ea、eb、ec为网侧相电压；ua、ub、uc为交流侧电压；ia、ib、ic为网侧相电流；La、Lb、Lc为网侧电感；Ra、Rb、Rc为网侧等效电阻；C为直流侧电容；udc为直流侧电压；idc为直流侧电流；RL为直流侧等效电阻；iL为直流侧等效负载电流，V1～V6为功率开关管。

图1三相电压型双向变流器主电路拓扑图Fig.1Maincircuittopologydiagramofthree-phasevoltagetypebidirectionalconverter

为了简化控制系统设计，针对三相电压型双向变流器，通过Clark变换和基尔霍夫定律，得到在αβ坐标系下的数学模型为

(1)

其中,βα、ββ为开关管的开关函数在两相静止坐标系下的分量；uα、uβ、iα、iβ，则分别为交流侧电压和电流的α、β分量。

2准比例谐振控制策略

2.1基于QPR的电流内环控制

QPR控制器是在PR控制器的基础上提出来的，QPR控制器具备PR控制器无静差跟踪交流指令的优点，同时又克服了PR控制器因频率偏移而增益衰减的问题[5-6]。QPR控制器传递函数：

(2)

其中，ω0为基波角频率，Kp为比例增益，Kr为振荡项增益。相对于PI控制器[7-8]传递函数来说，它在关于实轴对称的复平面内引入2个固定频率的开环极点，使其在基波频率处增益很大，因此在该频率下系统可实现零稳态误差跟踪，能够直接控制交流量。

双向变流器在并网过程中，通过锁相环获取网侧交流指令，从而引入交流参考信号实现跟踪控制。由于双向变流器控制过程的延时性，控制量iα、iβ与参考信号之间均存在一定的延迟。由于α轴和β轴具有对称性，现以α轴进行分析，则可得:

(3)

将式(3)两边同时进行拉氏变换有:

(4)

根据泰勒公式并结合近似处理条件，得:

G(s)=1/(1+Tss)

(5)

由式(4)和式(5)，并进行化简可得：

(6)

将式(6)等号两边同时进行拉氏反变换，可得：

(7)

式(7)两边同乘上L，并进一步处理，得到:

(8)

根据(8)式可知，M可以作为调节器用来调节电流误差，为了实现电流无静差控制，采用QPR控制器。由式(1)和式(8)，在忽略网侧电感阻值后，可得uα、uβ的控制方程为

(9)

2.2QPR控制器参数设计

引入QPR控制器后，双向变流器系统电流内环α轴的控制框图如图2所示。

图2基于QPR控制的电流环控制框图Fig.2CurrentloopcontrolblockdiagrambasedonQPRcontrol

由图2可得变流器输出的并网电流：

(10)

在谐振频率处GQPR(s)GPWM(s)G0(s)的增益一般远大于1，可知式(10)右侧第一项近似为0，第二项系数近似为1。由于GPWM(s)和G0(s)中参数由系统给定，则可通过给GQPR(s)设置合适的参数使实际的输出电流与指令电流相同。

由SVP