上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院 李曉東
單臺(tái)三相逆變器的設(shè)計(jì)與分析
上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院 李曉東
對(duì)單臺(tái)LCL型濾波器的三相逆變電源進(jìn)行數(shù)學(xué)建模與分析,詳細(xì)介紹了LCL型輸出濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法并給出了計(jì)算實(shí)例。詳細(xì)介紹了電流雙閉環(huán)控制基本原理并進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。
三相逆變器;LCL型濾波;電流雙閉環(huán)
近年來,環(huán)境污染和常規(guī)能源的短缺這兩大問題越來越凸顯,開發(fā)、利用可再生能源成為人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的迫切需要。因此,并網(wǎng)逆變器作為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的必要連接接口設(shè)備,已經(jīng)成為當(dāng)前電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
三相逆變器通常采用三相半橋逆變拓?fù)?,主要由直流?cè)、逆變橋及輸出LCL型濾波器組成,如圖1所示。由于三相之間沒有耦合關(guān)系,因而在建立數(shù)學(xué)模型以及分析的過程中,可以使用單相逆變器的建模與分析方法。單相半橋式逆變電路如圖1所示,E1、E2表示正、負(fù)直流母線電壓;S1、S2為半導(dǎo)體開關(guān)器件;L1為輸出LCL逆變器側(cè)電感,r1為其等效串聯(lián)電阻,C為輸出LCL濾波器濾波電容,L2為輸出LCL網(wǎng)側(cè)電感,r2為其等效串聯(lián)電阻;ug為電網(wǎng)電壓。
圖1 單相半橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
由圖1所示,可以推出網(wǎng)側(cè)電流L2(s )和a、b兩點(diǎn)之間輸出電壓Vi(s )之間的傳遞函數(shù)G(s):
由于,濾波電感的等效串聯(lián)電阻非常小,通??梢院雎圆挥?jì);則當(dāng)忽略濾波電感L1和L2的等效串聯(lián)電阻r1和r2時(shí),式(2.1)可以簡(jiǎn)化成:
從調(diào)制器輸入至逆變橋輸出的傳遞函數(shù),是個(gè)比例環(huán)節(jié):
結(jié)合式(2.2)和式(2.3),可以得到調(diào)制器輸入至逆變器網(wǎng)側(cè)電流I2的傳遞函數(shù):
根據(jù)傳遞函數(shù)Go(s)的表達(dá)式,得到三相半橋逆變器的方框圖如圖2所示:
圖2 三相半橋逆變器主電路等效框圖
本文采用目前較為主流的LCL型濾波器作為三相逆變器的濾波環(huán)節(jié)。逆變器側(cè)電感L1的主要作用就是抑制并網(wǎng)電流的變化率,進(jìn)一步影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。L2和C用于濾除并網(wǎng)系統(tǒng)中的高次諧波分量。根據(jù)文獻(xiàn)可以得到一種濾波器參數(shù)的基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:
(1)并網(wǎng)電感電流脈動(dòng)小于額定電流的20%,電流總諧波畸變率小于5%;
(2)LCL濾波器總電感因感抗產(chǎn)生的壓降小于電網(wǎng)額定電壓的10%;
(3)為了使LCL濾波器的諧振峰出現(xiàn)在較為合理的位置,設(shè)計(jì)LCL濾波器諧振頻率時(shí):
應(yīng)大于電網(wǎng)頻率的10倍,小于開關(guān)頻率的1/ 2,即:
(4)LCL濾波器中L1與L2的比值介于4~6之間;
(5)為了使紋波電流的高頻分量盡可能地從電容支路流過,設(shè)計(jì)中還應(yīng)保證:
(6)一般而言,濾波電容的選取還應(yīng)滿足:電容吸收的無功功率小于系統(tǒng)額定有功功率的5%。
設(shè)定并網(wǎng)逆變器的額定參數(shù)如表1所示:
其中Xc和XL2是開關(guān)頻率下的阻抗值,且一般?。?/p>
表1 并網(wǎng)逆變器額定參數(shù)
根據(jù)以上設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和參數(shù),計(jì)算得到以下結(jié)果:
濾波電感在額定工況下產(chǎn)生的壓降為:
即LCL型濾波器可以有效抑制并網(wǎng)系統(tǒng)中大于26次的系統(tǒng)諧波。由圖3所示可以清晰看出,LCL型濾波器在低頻段有著與L型濾波器相同的幅頻特性,但是當(dāng)頻率高于諧振點(diǎn)fres后,LCL型濾波器以-60dB衰減,而L型濾波器的衰減僅為-20dB;可見LCL型濾波器對(duì)高頻諧波有著更好的抑制作用。
圖3 LCL濾波器與L濾波器的Bode圖
LCL濾波器本身就是一個(gè)諧振電路,其產(chǎn)生的諧振峰在很大程度上影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及并網(wǎng)電流的波形質(zhì)量。因此,在設(shè)計(jì)控制器的時(shí)候,系統(tǒng)的穩(wěn)定性是首要考慮的問題。
根據(jù)對(duì)大量的參考文獻(xiàn)的閱讀與分析得到,以LCL型濾波器的電容電流iC作為內(nèi)環(huán)反饋量、網(wǎng)側(cè)電感電流i2作為外環(huán)反饋量的電流雙閉環(huán)控制策略能夠有效地改善系統(tǒng)的控制性能,避免因串聯(lián)阻尼電阻帶來的影響,同時(shí)可以保證LCL型濾波器良好的濾波效果。
圖4 電流雙閉環(huán)控制框圖
由圖4所示可以得到系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:
整理式(16)可以得到:
由此可以整理得到電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:
選擇合適的比例積分參數(shù)Kp、Ki代入式(18)后還可以得到如圖5的伯德圖。
圖5 電流雙閉環(huán)系統(tǒng)bode圖
由圖5所示可以看出:穩(wěn)定系統(tǒng)的相 角裕度為正值,且其增益裕度大于1,所以可以確定系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。兼顧系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能,通常要求幅值裕度大于6dB,而相位裕度一般要求為45°~70°,保留合理的穩(wěn)定裕度,可以減小甚至于消除系統(tǒng)元件性能的改變而引起的不利影響??梢缘玫?,帶LCL型濾波器的三相逆變器的電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度,能夠在一定范圍內(nèi)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
本文選取的計(jì)算三相LCL型濾波器的方法式可行的,能夠滿足正常的三相并網(wǎng)逆變器的濾波要求,并且LCL型濾波器的濾波效果在高頻的時(shí)候也是要遠(yuǎn)好于L型濾波器的;電流雙閉環(huán)的控制策略也能夠較好的滿足并網(wǎng)控制的要求,具有一定的穩(wěn)定裕度,能夠在一定范圍內(nèi)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
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李曉東,女,江蘇揚(yáng)州人,碩士研究生,研究方向:電力電子與電力傳動(dòng)。