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单相并网逆变器的Deadbeat控制

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单相并网逆变器的Deadbeat控制

电力电子技术Power Electronics第 41 卷第 2 期2007 年 2 月Vol.41 , No.2February , 20071 引 言光伏发电、 燃料电池等分布式电源系统被认为是将来最有大规模开发和利用价值的电能来源 [1] 。要将它们输出的直流电能输入到 220V 交流电网中, 需要一个与电网连接的接口, 即并网逆变器来实现。对于一些广泛使用的家用式分布电源 [2] , 如屋顶光伏发电系统, 其输出功率较小, 并网逆变器接入的也是单相电网。无差拍控制 ( Deadbeat Control ) 是一种基于电路模型和状态观测器的控制方法 [3] , 它与传统的 PI控制算法相比,能更大限度地发挥数字控制器的优势。无差拍控制的基本思想是根据本周期以前的采样值,用模型计算出要达到指定的状态和输出, 所需的方波脉冲宽度和极性。通过调整一个周期内的方波脉冲宽度和极性,使输出电流值与下一采样时刻值相吻合。不断调整每一采样周期内方波脉冲的极性与宽度,就能使输出的实际电流波形接近于指令电流波形,从而在很低的开关频率下, 也能得到高质量的输出电流波形。在此提出一种单相并网逆变器的无差拍电流控制方法, 利用 Matlab7.0 中 Simulink 对其控制方法进行了仿真和实验验证。2 系统的模型图 1 示出逆变器与电网连接的电路图。输入直流电源 U d 经过脉宽调制 ( PWM ) 逆变器后, 通过滤波电感 L 与电网电压 u n 连接, 输入电网的电流 i 与u n 分别通过传感器测量并通过放大电路接到 DSP的 A/D 采样端口。通过调整 DSP 的 CMPR 寄存器值的大小, 得到每个周期内 U d 的极性和电感充放电的时间, 从而控制入网电流 i 的大小和方向。 在实际情况下, 逆变器有 4 种工作状态。 图 2 示出 A , B , C , D 4 种等效充放电模型。 取图中 i 从左向右为正向。 当 i 为正时, A 为充电状态, B 为放电状态;当 i 为负时, C 为充电状态, D 为放电状态。单相并网逆变器的 Deadbeat 控制黄文俊 , 余晓建 , 沈永林(清华大学, 北京 100084 )摘 要 并网逆变器是分布式电源系统向电网输入功率的主要接口。在此分析了单相并网逆变器的无差拍( Deadbeat ) 电流控制方法。仿真结果及实验表明, 无差拍控制方法有非常快的响应速度, 可使输出电流准确、 迅速地跟踪电网电压, 与电网电压同频同相, 向电网输出高质量的电能。关键词 逆变器; 控制; 电源 / 分布式电源; 无差拍中图分类号 TM464 , TM72 文献标识码 A 文章编号 1000- 100X ( 2007 ) 02- 0010- 03Deadbeat Control for Single Phase Grid-Connected InverterHUANG Wen-jun , YU Xiao-jian , SHEN Yong-lin( Tsinghua University , Beijing 100084 , China )Abstract Grid -connected inverter is the interactive interface of distributed power system linking to commercialutility.In this paper the deadbeat current control method of single phase grid-connected inverter is analyzed.Simulative andexperimental results indicate that very fast output transient response can be achieved.The output current traces the gridvoltage accurately and quickly , and has the same frequency and phase as utility grid , as a result of exporting high qualitypower energy to the grid.Keywords inverter ; control ; power supply/distributed power supply ; deadbeat定稿日期 2006- 08- 21作者简介 黄文俊 (1978- ) , 男 , 湖北浠水人 , 硕士生 。 研究方向为分布式电源系统 。图 1 并网逆变器与电网连接的电路图图中 R 线路等效电阻103 无差拍电流控制方法图 1 中全桥电路的 4 个开关控制脉冲分别为 DSP的脉冲输出 PWM 1 ~ PWM 4 。 不计死区的影响, PWM 输出所对应的通用定时器按连续增 / 减计数模式计数 [ 4] 。当计数器的值等于比较寄存器 CMPR 的值时, VS 1 开通, VS 2 关闭。 设一个周期内脉冲数为 2N , 当计数器的值等于 N 减 CMPR 时, VS 3 开通, VS 4 关断。以电网电压 u n 的正半周为例,此时入网电流 i的方向为正, 如图 2a , b 所示, 则有L Δ i=T0 u o dt+T0( - iR- u n ) dt=U d Δ T- I“RT- U n T ( 1 )式中 Δ T VS 1 , VS 4 同时开通的时间由式 ( 1 ) 可得在 kT 到 ( k+1 ) T 时间内的开通时间为 Δ T( k ) = { L[I*( k ) - i( k ) ]+I “( k ) RT+U n( k ) T}U d( 2 )式中 I“( k ) , U n( k ) 第 k 个周期内输出电流与电网电压的平均值设定输出电流在第 k 个周期末的值为 I *( k ) , 则Δ T( k ) 是使输入电网的电流 i( k ) 在第 k 个周期内调整到 I *( k ) 理论上所需的 VS 1 和 VS 4 同时开通的时间。由式 ( 2 ) 知 I *( k ) , i( k ) , I“( k ) 和 U n( k ) 的值, 就可算出下一周期的 Δ T( k ) 。在实际控制系统中, 考虑到 A/D 转换时间和计算时间,为了尽可能消除控制误差, 做到无差拍, 则必须利用第 k 个周期以前的输出状态和反馈来对第 k 个周期状态量进行预测, 根据预测值计算出 Δ T( k ) 。图 3 示出计算及控制过程示意图。I *( k ) , U n( k ) 等状态由以前的反馈量估计得到,在第 k- 1 个周期中算出 Δ T( k ) , 在第 k 个周期中调节输出电流。由于入网电流 i 与电网电压 u n 同频同相,实际系统中参考电流由 u n 上升过零点在 DSP 内部用 IQ函数同步产生, 频率取上周期的频率值。 仿真中为简单起见,设定入网参考电流的幅值与电网电压幅值的比为 ratio ,则第 k 个周期末的电流控制目标值与第 k 个周期开始时的电流差值为 Δ i=I *( k ) - i( k ) =ratio Un( k+1 ) - i( k ) ( 3 )式中 U n( k+1 ) 第 k+1 周期初的 u n 估计值由上一周期的 VS 1 , VS 4 同时开通时间 Δ T( k- 1 )及式 ( 2 ) 可得 i( k ) 的估计值为i( k ) = [U d Δ T( k- 1 ) - I“( k- 1 ) RT- Un( k- 1 ) T]L+i ( k- 1 ) ( 4 )对状态观测器进行状态量预测是实现无差拍控制的关键, 考虑到实际中 DSP 运算速度的限制和定点运算导致精度的损失,复杂的预测方法并不适用于这种实时的并网逆变器控制。 在此对 u n 的预测采用正弦曲线拟合的方法,对 i 用 Lagrange 三阶外插算法进行预测。设 u n 在第( k- 2 ) T ,( k- 1 ) T ,( k+1 ) T时刻的值分别为 u n( k- 2 ) , u n( k- 1 ) , u n( k+1 ) , 在第 kT时刻, u n 的相位为 θ , 相邻两次采样时刻的正弦波相位差为 “ =100 π T 。则有u n( k- 2 ) =u n sin ( θ - 2 “ )u n( k- 1 ) =u n sin ( θ - “ )U n( k+1 ) =u n sin ( θ + “’’ )( 5 )根据式 ( 5 ) 得U n( k+1 ) = [- u n( k- 2 ) sin ( 2 “ ) +u n( k- 1 ) sin ( 3 “ ) ]sin “ ( 6 )i( k ) 可由式 ( 4 ) 计算, 假设 i 在第 k 个周期内线性变化, 则根据 [0 , i( k- 2 ) ] , [1 , i( k- 1 ) ] 和 [2 , i( k ) ] , 由Lagrange 三阶外插算法计算 [2.5 , I“( k ) ] , 得到I“L( k ) =0.375i L( k- 3 ) - 1.25i L( k- 2 ) +1.875i L( k- 1 ) ( 7 )由于考虑了采样和计算延时的影响, 采用了状态观测器进行状态预测来减少控制误差,提高系统的电流跟踪精度和鲁棒性。另外, 由于并网逆变器中的参数相对固定,而且要求输出电流能有较高的质量和较快的响应速度,所以比较适合使用无差拍方法予以实现。4 Matlab/Simulink 仿真模型SimPowerSystems 工具箱中提供了专门用于电气控制系统的各种模型, 大大简化了复杂电路建模。图 3 计算及控制过程示意图单相并网逆变器的 Deadbeat 控制图 2 A , B , C , D 4 种等效充放电模型11电力电子技术Power Electronics第 41 卷第 2 期2007 年 2 月Vol.41 , No.2February , 2007图 4 建立的 Matlab/Simulink 仿真模型图 5 i 跟踪 u n 的仿真结果图 6 实验结果Matlab 还提供了一种非常强大的函数 S- 函数,它是扩展 Simulink 功能的有力工具。 S- 函数实质上是具有特殊调用格式的 Matlab 函数, 它使用特定的语法使动态系统具有交互功能, 以连续、 离散或连续离散混合方式最大程度地使自身与系统相适应, 表征系统动态特性 [5] 。在 S- 函数的对应接口中填入相应的无差拍算法代码,可很方便地将算法与电路仿真模型结合起来。图 4 示出建立的 Matlab/Simulink 仿真模型。逆变器使用 Universal Bridge 模块的 IGBT/ 二极管开关器件模型,电网相当于一个 220V , 50Hz 交流电压源, 输入简化为一个直流电压源, 无差拍控制器模块输 出 为 下 一 周 期 PWM 波 的 占 空 比 , 由 PWMGenerator 模块自动产生 PWM 波,以控制逆变器的开关动作。5 仿真研究及实验结果仿真参数设定为输入直流电压 U d =400V , 电网电压有效值 U n =220V , 滤波电感 L=10mH , 线路等效电阻 R=0.8 Ω ,主电路的开关频率 f d =10kHz ,指令电流与电网电压的比例系数 ratio=0.02 。仿真工 作 状 态 在 [0.0100s 0.0322s] 下 , 电 网 频 率 为45Hz ; 在 [0.0322s 0.0522s] 下, 电网频率变为 50Hz ;在 [0.0522s 0.0740s] 下, 电网频率变为 55Hz 。图 5a示出入网电流 i 的跟踪效果;图 5b 示出电网电压u n 的仿真波形。由图可见, 在电网频率波动时, 无差拍控制方法能快速准确地跟踪 u n , 且 i 始终保持与 u n 同频同相。此外, 逆变器在加载和卸载时, 均能使 i 很好地跟踪 u n 。根据仿真结果进行了无差拍控制逆变器的并网实验, 主电路为全桥逆变电路, 直流侧采用 100V 直流电源, 交流侧采用调压器得到峰值为 70V 的正弦交流电压。 DSP 输出的 PWM 控制脉冲加到逆变器的控制端, L=10mH , f d =10kHz ,入网电流的幅值 I n =2A 。图 6 示出入网电流 i 和电网电压 u n 的实验波形。结果表明, 无差拍控制具有响应速度快, 功率因数高, 入网电流波形好等特点。6 结 论通过对逆变器实际模型的分析,得到了一种单相并网逆变器的无差拍控制方法。并用 Matlab/Simulink 对模型和控制方法进行了仿真和实验验证。 结果表明, 无差拍电流控制方法能快速准确地跟踪电网电压, 输入电网的电流波形畸变很小, 可以满足向电网输入高功率因数、 高质量电能的要求。参考文献[1] 李俊峰, 时 丽, 马玲娟, 等 . 国内外可再生能源发展综述 [J]. 国际石油经济, 2006 ,( 2 ) 35 ̄37.[2] Muhammad H Rashid , 陈建业等译 . 电力电子技术手册[M]. 北京 机械工业出版社, 2004.[3] 郭卫农, 段善旭, 康 勇, 等 . 基于 DSP 实现的无差拍控制逆变器 [J]. 通信电源技术, 2001 ,( 3 ) 1 ̄4.[4] 苏奎峰, 吕 强, 狄庆锋, 等 .TMS320F2812 原理与开发[M]. 北京 电子工业出版社, 2005.[5] 薛定宇 . 基于 MATLAB/Simulin 的系统仿真技术与应用[M]. 北京 清华大学出版社, 2002. ““““ 电力电子技术 期刊社全体同仁恭祝大家新春快乐 身体健康 万事如意 12

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