基于降階諧振控制器的三相逆變器電壓控制研究

晏子豪

（university of Sheffield，英國(guó) 英格蘭 S10 2TN）

當(dāng)今社會(huì)，世界各國(guó)的科技水平都在逐步提升，人們?cè)谏鐣?huì)建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過(guò)程中越發(fā)依賴電力能源的使用，而隨著環(huán)境污染與能源緊缺問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，人們更加注重以可再生能源為核心的發(fā)電技術(shù)。逆變器應(yīng)用在電力系統(tǒng)中具有可控性與高效性等優(yōu)點(diǎn)，可以有效提升電力系統(tǒng)運(yùn)行效率。

其中，總諧波畸變率是判斷逆變器性能的重要指標(biāo)數(shù)據(jù)，諧波會(huì)直接影響到電力系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，導(dǎo)致電能生產(chǎn)與傳輸效率低下、電力設(shè)施使用周期縮短，甚至出現(xiàn)電力設(shè)備燒毀問(wèn)題。

1 三相逆變器輸出電壓不穩(wěn)定簡(jiǎn)介

三相逆變器的不穩(wěn)定狀態(tài)會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成一定的影響，不穩(wěn)定的電流會(huì)導(dǎo)致電機(jī)設(shè)備在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)機(jī)身抖動(dòng)、噪聲等現(xiàn)象，從而大幅度降低電機(jī)輸出功率，在負(fù)載過(guò)大的情況下會(huì)出現(xiàn)電機(jī)過(guò)流故障與電機(jī)保護(hù)裝置頻繁運(yùn)作的現(xiàn)象。

如果這種現(xiàn)象不能及時(shí)有效地解決，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)設(shè)備溫度逐漸增高，甚至出現(xiàn)電機(jī)燒毀事故，嚴(yán)重影響到電機(jī)設(shè)備使用的安全性。不穩(wěn)定的輸出電壓可能會(huì)導(dǎo)致部分電力系統(tǒng)在非啟動(dòng)狀態(tài)下啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致設(shè)備設(shè)施出現(xiàn)不正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，對(duì)電力系統(tǒng)整體的安全性與穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。

2 三相逆變器電壓控制系統(tǒng)模型

在交流電力系統(tǒng)中，不確定性參數(shù)與非線性負(fù)載是影響電力系統(tǒng)周期跟蹤質(zhì)量的主要原因。逆變器在接入非線性負(fù)載時(shí)，輸出電壓中主要以5、7、11等諧波為主，其中5、7次的諧波占比最高。在輸出電壓質(zhì)量控制過(guò)程中，對(duì)占比高的諧波進(jìn)行科學(xué)控制即可有效改善輸出電壓的質(zhì)量，保障電壓的穩(wěn)定性能。為保障負(fù)載電壓是正弦電壓，三相逆變器的控制器需要無(wú)差別化控制不同的諧波信號(hào)，可以利用諧振控制、選擇性補(bǔ)償、瞬時(shí)功率理論等方法進(jìn)行有效控制。

三相逆變器電壓控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 三相逆變器控制系統(tǒng)模型

圖中的iLαβ代表αβ坐標(biāo)系中的電感電流，u*oαβ代表參考電壓，uoαβ代表逆變器輸出電壓，二者之間的差值信號(hào)會(huì)通過(guò)一個(gè)電壓控制器，將輸出的信號(hào)看作電流控制器的參考信號(hào)，用i*Lαβ表示，參考電流在去除電感電流后會(huì)通過(guò)電流控制器，將輸出的信號(hào)作為PWM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以此控制開關(guān)管路的連接與斷開。

三相逆變器電壓控制系統(tǒng)中電壓電流雙環(huán)控制框圖如圖2所示。

最外環(huán)為電壓控制環(huán)路，三相逆變器的輸出電壓與參考電壓在比較后能夠得到電壓偏差，參考電流在通過(guò)Gv(s)控制器后可以作為輸入內(nèi)環(huán)的信號(hào)。內(nèi)部環(huán)路為電流控制環(huán)，三相逆變器的電感電流與參考電流在經(jīng)過(guò)比較后經(jīng)過(guò)比例控制器Gi(s)，最后能夠得到調(diào)制信號(hào)。通過(guò)對(duì)圖2系統(tǒng)進(jìn)行分析能夠得知，從理論角度來(lái)講，如果相位補(bǔ)償諧振控制器的諧振點(diǎn)處于無(wú)限增益的狀態(tài)，那么相位補(bǔ)償諧振控制器能夠?qū)⒖茧妷哼M(jìn)行無(wú)誤差的穩(wěn)定跟蹤，同時(shí)，系統(tǒng)整體的輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)受到負(fù)載電流因素的影響。

圖2 逆變系統(tǒng)電壓電流雙環(huán)控制圖

3 降階諧振控制器工作原理

傳統(tǒng)的諧振控制器通常是指二階諧振控制器，即對(duì)二階廣義積分器進(jìn)行科學(xué)適當(dāng)?shù)难芑D(zhuǎn)變，其內(nèi)在核心主要是指內(nèi)模原理，即在控制系統(tǒng)中的反饋系統(tǒng)中植入動(dòng)力學(xué)模型，且保持動(dòng)力學(xué)模型中的交流量相等。二階諧振控制器中存在兩個(gè)互相對(duì)稱的極點(diǎn)，雖然能夠同時(shí)跟蹤特定頻率的正負(fù)序分量，但是從實(shí)質(zhì)角度來(lái)講并不能做到真正意義的正負(fù)序分離。如果將二階諧振控制器進(jìn)行科學(xué)合理的降階處理，構(gòu)造出只具備單一極點(diǎn)的降階諧振控制器，則可以滿足對(duì)不同頻率的正負(fù)序分量進(jìn)行有效的、獨(dú)立的無(wú)差別跟蹤。

降階諧振控制器能夠?qū)δ孀兤骺刂葡到y(tǒng)延遲進(jìn)行補(bǔ)償，位于s域的傳遞函數(shù)Rh(s)能夠分成兩個(gè)一階部分Rh-(s)與Rh+(s)的和。

其中，一階部分的Rh-(s)與Rh+(s)被稱為降階諧振控制器的傳遞函數(shù)，Kh代表積分增益，h代表諧波次數(shù)，ωh=hω1，ω1代表基波角頻率，φh代表諧振頻率為hω1時(shí)的平均補(bǔ)償相位。

兩個(gè)一階部分諧振控制器的傳遞函數(shù)Rh-(s)與Rh+(s)分別在-314rad/s與314rad/s時(shí)達(dá)到最大增益值，此時(shí)h=1，φh=π/4，Kh=2。當(dāng)處于其他狀態(tài)時(shí)增益值均為0。由此可以得知，當(dāng)負(fù)序頻率處滿足Rh-(s)、正序頻率出滿足Rh+(s)時(shí)即可保障在預(yù)期頻率點(diǎn)位得到無(wú)限增益，從而有效減少控制器的變量，有效降低計(jì)算負(fù)擔(dān)。

4 基于降階諧振控制器的電壓控制

通過(guò)上述能夠得知，在頻率為314rad/s左右的增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他頻率的增益，理想狀態(tài)下的降階諧振控制器能夠在特定諧振頻率時(shí)擁有無(wú)限的增益效果。但是需要注意，電力系統(tǒng)的正常頻率在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)存在一定程度的數(shù)值偏差，偏差范圍在0.5Hz左右，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成一定的威脅破壞。可以利用增加阻尼項(xiàng)的方法對(duì)降階諧振控制器系統(tǒng)進(jìn)行有效改進(jìn)，以此擴(kuò)大降階諧振控制器中增益頻率的范圍。不同的參數(shù)條件會(huì)呈現(xiàn)出不同的實(shí)際增幅效果，通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻弥倪M(jìn)后的降階諧振控制器在諧振頻率點(diǎn)位的增幅效果由Kh參數(shù)獨(dú)立調(diào)節(jié)，呈現(xiàn)成比例關(guān)系，即Kh數(shù)值越小，則增益效果越差。諧振頻率點(diǎn)位附近的相位特性與帶寬情況由增加的阻尼項(xiàng)決定。

5 仿真分析

為了驗(yàn)證本文提出的基于降階諧振控制器的三相逆變器電壓控制系統(tǒng)的真實(shí)性與有效性，構(gòu)建了仿真模擬模型，具體電路參數(shù)與控制器參數(shù)如表1、2所示。

表1 電路參數(shù)

表2 控制器參數(shù)

通過(guò)仿真模擬能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)三相逆變器不添加諧振控制器時(shí)，A相輸出電壓無(wú)法高效跟蹤參考電壓。A相電壓的基頻幅度值138.5V，總諧波畸變率為3.2%，其中第五次與第七次的諧波含量相對(duì)較高，因此，本文主要對(duì)-5與7次諧波控制器的逆變器控制效果進(jìn)行研究分析，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，無(wú)諧波控制器時(shí)三相逆變器輸出電壓與參考電壓之間存在40V左右的數(shù)值誤差。

通過(guò)對(duì)添加降階諧振控制器與不添加降階諧振控制器的基波與-5和7次降階諧振控制器后三相逆變器輸出電壓的波形圖進(jìn)行分析，能夠得出結(jié)論：此時(shí)變壓器的輸出電壓能夠有效跟蹤參考電壓，輸出電壓與參考電壓之間的數(shù)值誤差從40V縮減到10V左右，逆變器輸出電壓的追蹤性能得到大幅度加強(qiáng)。同時(shí)A相電壓的基頻幅度值在添加降階諧振控制器與不添加降階諧振控制器時(shí)的數(shù)值相差無(wú)幾，添加降階諧振控制器后的輸出電壓的總諧波畸變率在2%左右，沒有降階諧振控制器的輸出電壓的總諧波畸變率在2.3%左右。因此可以說(shuō)，添加降階諧振控制器的三相逆變器對(duì)電壓系統(tǒng)的實(shí)際控制效果更加良好。

仿真模擬試驗(yàn)中，對(duì)添加基波、-5以及7次降階諧振控制器的三相逆變器的電壓控制與不添加降階諧振控制器的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，能夠發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的A相電壓總諧波畸變率明顯降低，具體情況如下表3所示。

表3 改進(jìn)前后的A相輸出電壓總諧波畸變率

通過(guò)表3數(shù)據(jù)能夠得出結(jié)論，在依次添加基波、-5次與7次降階諧振控制器后，三相逆變器輸出電壓的總諧波畸變率呈現(xiàn)出順次遞減的現(xiàn)象，與不添加降階諧振控制器的逆變器的總諧波畸變率相比，具有更好的諧波控制效果，能夠有效提升電力系統(tǒng)對(duì)電力資源的輸送、生產(chǎn)與利用效率。

6 結(jié)語(yǔ)

電力企業(yè)為加強(qiáng)三相逆變器在電力系統(tǒng)中非線性負(fù)載運(yùn)行能力，解決傳統(tǒng)電壓控制系統(tǒng)中存在的計(jì)算體量大、無(wú)法開展極性選擇等問(wèn)題，可以使用降階諧振控制器對(duì)電力控制系統(tǒng)進(jìn)行改革優(yōu)化。

降階諧振控制器在實(shí)際應(yīng)用能夠有效開展正負(fù)序分量獨(dú)立跟蹤作業(yè)，具有計(jì)算體量較小、反應(yīng)速度較快、跟蹤精確度較高以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)等特點(diǎn)從而為三相逆變器在非線性負(fù)載環(huán)境中有效控制電壓系統(tǒng)提供了良好的技術(shù)保障，從而大幅度提升電力控制質(zhì)量與效率，以幫助我國(guó)電力行業(yè)快速發(fā)展進(jìn)步。