LCL滤波的三相储能变流器及其控制策略研究-毕业论文（设计）.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要分布式发电在当今社会中受到越来越多的重视，储能系统对改善可再生能 源发电的不确定性、功率波动等可起到重要作用。储能变流器作为可再生能源 与电网之间的重要接口设备，其并网电流质量，如谐波畸变率，是重要指标。本文以典型的LCL三相电压型PWM变流器为研究对象，重点对畸变电网电压 下储能变流器的电流控制策略进行研究。本文介绍了 PWM变流器的拓扑结构和工作原理，建立了 c及磔坐标系 下的数学模型，设计了 LCL滤波器参数并对其有源阻尼、无源阻尼谐振抑制作 了分析。为简化电流控制器的复杂解耦，设计了磔坐标系下的比例谐振电流内 环控制器。在电网电压畸变的情况下，设计了网侧电流准比例谐振控制(QPR,Quasi Proportional Resonant Control)内环与重复控制外环叠加的复合控制策略。论文对控制策略进行了细致的推导，并从理论上分析了复合控制器对电网电压 畸变的抑制作用。在电网电压畸变以及不平衡下采用基于双二阶广义积分器的锁相环，对正、负序分量进行分离，抑制谐波分量引起的相位波动，实现了对基波正序相位的 准确跟踪。研究了控制网侧电流平衡以及母线电压平衡的电流控制策略，在 Matlab/Simulink中搭建变流器在畸变及不平衡电网电压下的仿真模型，对复合 控制策略的有效性进行了仿真验证。论文具体设计了主功率电路参数、外围保护电路、采样调理电路及驱动电 路，完成了系统控制策略中锁相环模块、QPR控制器模块、重复控制器模块、SVPWM模块的数字化设计。最终，搭建了 500W硬件实验平台，以TI公司的 TMS320F28335芯片为主控制器，验证了各个模块设计效果，并通过联调验证 了本文控制策略的有效性。关键词：分布式发电；储能变流器；QPR控制器；重复控制；锁相环71994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractDistributed power generation is receiving more and more attention in todays society.Energy storage system can play an important role in improving the uncertainty of power fluctuation of renewable energy.As an important interface device between renewable energy and grid,and the grid-connected current quality,such as harmonic distortion rate,is an important index.In this paper,a typical LCL three-phase voltage-type PWM converter is taken as the object of study.The current control strategy of the converter under the distorted grid voltage is mainly studied.In this paper,the topological structure and working principle of PWM converter are introduced.The mathematical model of abc and ap coordinate system is established.The parameters of LCL filter are designed and the active damping and passive damping resonance suppression are analyzed.In order to simplify the complex decoupling of the current controller,a proportional resonant current inner loop controller in aP coordinate system is designed.In the case of grid voltage distortions,a composite control strategy of QPR inner loop and repetitive control outer loop is designed for grid side current quasi-proportional resonance control(QPR).In this paper,the control strategy is deduced in detail,and the suppressive effect of the composite controller on the voltage distortion is analyzed theoretically.The phase-locked loop based on dual-second-order generalized integrator is used by separating the positive and negative sequence components under the distortion and imbalance grid to suppress the phase fluctuation caused by harmonic components.The accurate tracking of the positive sequence phase of the fundamental wave.The current control strategy of control network side current balance and bus voltage balance is studied.Simulation model of converter under distorted and unbalanced grid voltage is built in Matlab/Simulink,and the effectiveness of the composite control strategy is verified by simulation.The parameters of the main power circuit,peripheral protection circuit,sampling circuit and driving circuit are designed.The digital design of phase locked loop module,QPR controller module,repetitive controller module and SVPWM module is completed.Finally,a 500W hardware experiment platform is built and the TMS320F28335 chip of TI company is used as the main controller,which validates the design results of each module and the effectiveness of the control strategy.Keywords:distributed generation,energy storage converter,QPR controller,repetitive control,phase-locked loop-ii-71994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要.IABSTRACT.II第1章绪论.11.1 课题研究背景及意义.11.2 储能系统及变流器国内外研究现状.31.3 三相PWM变流器控制策略研究现状.51.4 本文的主要研究内容.8第2章 储能变流器结构及工作原理.102.1 引言.102.2 储能变流器拓扑结构及工作原理.102.3 三相电压源PWM变流器数学模型.112.4 LCL滤波器参数电路设计.142.5 本章小结.16第3章三相PWM变流器控制系统设计.173.1 引言.173.2 QPR电流反馈控制内环设计.173.2.1 LCL谐振尖峰抑制.173.2.2 QPR电流内环.203.3 复合控制环路设计.263.3.1 重复控制模型设计及其补偿.263.3.2 重复控制外环设计.273.4 电压外环控制器设计.323.5 DSOGI锁频环及七段式SVPWM算法设计.343.5.1 DSOGI锁频环设计.343.5.2 七段式SVPWM 算法设计.383.6 本章小结.41第4章PWM变流器复合控制的仿真分析.434.1 弓信.434.2 三相电网电压不平衡及畸变时系统的研究.434.3 非理想电网下复合控制策略仿真分析.46-III-71994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.3.1电网 电压畸变下控制策略仿真.464.3.2电网 电压不平衡下控制策略仿真.484.3.3非理 想电网下两级式储能变流器级联控制仿真分析.494.4本章小结.51第5章样机及实验结果分析.525.1 引言.525.2 实验样机设计.525.2.1 功率管选择.525.2.2 驱动保护电路设计.535.2.3 采样电路设计.545.3 软件系统设计.555.3.1 控制系统流程.565.3.2 锁相环子程序设计.585.3.3 QPR及重复控制模块设计.595.3.4 一阶滞后数字滤波器算法.605.4 实验结果分析.615.4.1 DSOGI-PLL 实验结果.625.4.2 PWM整流实验结果.635.4.3 逆变实验结果.645.5 本章小结.64结论.65参考文献.66哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限.71致谢.72-IV-71994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究背景及意义能源是我们工业社会运转的动力源，保证能源的可持续供应是人类社会发 展面临的重要问题。过去几十年中，世界能源消费中一次能源供给增长了约 70%,其中不可再生资源作为主要的能源供给占有很大比重，但是随着化石燃 料的消耗殆尽及其具有的不可再生性，加上其消耗过程中排放的CO2等温室 气体使温室效应日益显著，化石能源的供给不可能一直持续1o在可持续、绿色及环保理念逐渐深入人心的社会发展背景下，化石能源终究会被绿色、环 境友好型能源(风能、地热能、太阳能、生物能源等)取代。随着科技的发展 及人们环保意识的提升，人们会越来越重视这些清洁能源的推广和使用，而它 们作为工业中不可或缺的角色也将在未来的能源结构中占有一席之地。众所 周知，而今很多洁净能源在分布式发电(Distributed Generation,DG)系统中，其所产生的粗电必须进行高效、可靠、简便、低成本的转换才能并入电网或者 提供给本地负载使用。然而各种新能源接入电网会对大电网的运行产生冲击，还会引入高次谐波，从而影响电网电能质量及其系统稳定性，严重时甚至引起 电网崩溃，这就对整流器、逆变器等大功率电力电子能量变换装置的性能提出 了更高的要求。随着以绝缘栅双极晶体管(Insulated-gate-bipolar transistor,IGBT)为代表的新型全控型器件不断进步，脉冲宽度调制(Pulse-witdth modulation,PWM)控制技术广泛应用于逆变与整流电路中，将清洁能源产生 的电能通过高频变换从直流转化为稳定的交流供给电网或者其他用电设备，或 是将清洁能源发出的交流电转换为直流电提供给直流用电设备，进而实现能量 的双向流动，两种变换器可以通称为PWM变流器。PWM变流器作为清洁能 源入网的核心装置，使并网侧电流总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion,THD)远远小于5%,减小了对电网的谐波污染与并使网侧电流单位功率因数 化，可称之为环境友好绿色变换器，在DG系统中发挥着重要作用。电网富含的背景谐波以及其他用电设备产生的高次谐波入网会对PWM 变流器的能量变换产生很大干扰，造成网侧电流畸变严重，进一步污染电网并 且对用电设备产生不良影响。根据IEEE Std.929 2000等并网标准，为了保证 变换器在各种恶劣的环境下，能保持着良好的控制性能，使得清洁能源的转换 更好的满足人们的需求，就需要一种先进的控制策略。针对此种情况，本文重 点针对应用在分布式发电系统中的LCL滤波三相储能变流器控制策略做研-1-71994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文究，其不仅在电网畸变下等恶劣条件下保持网侧电流单位功率因数化，而且在 新能源并网发电、新能源汽车并网(V2G,Vehicle-to-grid)技术、柔性直流输 电技术(Flexible HVDC)及电动汽车充电桩等汽车领域都具有很大的研究价 值和理论意义a)直流母线结构DC/ACElectric Vehicleb)交流母线结构图1-1洁净能源入网示意图如图1-1所示，洁净能源通过电力变换装置接入电网的方式为：直流母线 与交流母线方式，其具体的AC/DC与DC/DC变换器结构将在下节阐述。可-2-71994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文以看出，无论采用哪一种母线接入方式，清洁能源发电系统中的储能装置都需 要经过功率变换系统（Power Conversion System,PCS）接入大电网之中。PCS在实际应用中是由单极（AC/DC）或多级（AC/DC/DC）组成的电力电子 变流装置，起到控制清洁能源、储能系统与电网之间能量流交换和匹配的作用。功率变换装置可以对清洁能源发电系统的不确定性引起的电能波动、突变进行 低频与高频能量补偿，减轻了能量波动对电网的冲击；对高峰、低谷用电进行 削峰填谷，对清洁能源产生的富余电能进行大容量储存，送入蓄电池等能量存 储装置，优化能量利用结构而且也可以在紧急时刻给电网提供能量支援。PCS 中储能变流器提供入网电流的单位功率因数控制，能量双向交换，因此成为清 洁能源并网发电的关键接口设备。两种运行模式（整流、逆变）下的控制策 略，对由于大量的不平衡负载与非线性负载的接入产生的谐波污染起到关键的 抑制作用，进而提高电网的电能质量。所以，在DG系统应用中，研制具有大容量高功率密度、模块化、充放电 高效率、抗干扰能力强的储能装置及其设计良好的电流控制策略对提高用电设 备电能质量水平、构建坚强电网、提高洁净能源与电网能量灵活的交互性，具 有很大的理论价值和现实意义。1.2储能系统及变流器国内外研究现状储能主要分为四种形式：机械、电磁、电化学和相变储能网。抽水蓄能电 站等物理储能在电网的能量调度过程中发挥很大的作用；超导储能作为电磁储 能的重要形式，可以瞬间提供成千上万焦耳的能量，具有极高的动态性能；清 洁能源发电系统与电池、超级电容器等电化学储能相配合，在当前的微电网、储能电站中有广泛的应用。目前电池储能技术发展最早、技术也相对更成熟，在大功率场合一般用铅蓄电池，而小功率场合则采用锂离子电池等可反复充电 的储能电池，尤其磷酸铁锂电池已广泛作为新能源汽车核心装置，其电池性能 也在不断提高。储能技术可以有效的调节清洁能源并网时产生的随机性波动，进而平滑清 洁能源的功率输出。对于风力发电而言，后半夜风大且是用电低谷期，储能技 术可以很好的起到对风电功率的平滑输出、削峰填谷控制。在国外，储能技术 也受到世界各国的重视，其中美国先进能源计划署（ARPA-E）、欧盟等更是 力推储能项目的投资建设，配置有30MW大容量储能系统的夏威夷风电场，对风场中突发故障有很快的反映能力。2016年英国电力运行公司与RES（Renewable Energy Systems）合作，将 300kVA/640kWh 的电池储能系统与 1.5MW光伏电站发电系统相配合。澳大利亚、德国等世界上其他发达国家-3-71994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文也相继投入大量人力、财力来跟进电化学、飞轮等储能技术的研究。在中国“十三五”规划纲要中首次出现了“储能”，明确提出了“推动能 源生产与生产方式变革”，利用储能技术推进坚强型智能电网建设，国家电网 已经投运第一个新能源风光储示范工程。2016年11月25日，中汽研究中心、深圳发展改革委员会、比亚迪汽车公司等在深圳坪山联合举办的中国新能源汽 车推广应用发展研讨会，对储能电池在新能源汽车以及电动汽车入网等前瞻领 域展开深入交流探讨。在储能系统的各种应用中普遍采用PWM变流器进行能量变换控制，其基 本的结构有直、交流母线接入方式；隔离与非隔离方式，分别介绍如下：如图1-2所示，在交流母线接入方式中，储能蓄电池与清洁能源发电系统（如光伏）通过公共交流母线连接，光伏输出的能量不仅为当地交流负载供电，并且还可以将富余电能并网并充电给蓄电池；还可以在光伏输出功率波动时由 蓄电池输出能量使光伏并网功率平滑；在黑夜时，PV不工作，此时蓄电池可 以在离网下对本地负载进行供电，也可以作为应急电源。储能系统的能量可由 电网负载和PV发电量之间的缺额来匹配，从而较快调节系统功率平衡。图1-2交流接入方式如图1-3所示，将蓄电池与超级电容器组通过双向DC/DC接入到直流母线 上，与PV直流母线并联，由此构成直流母线接入方式，中间母线电压的平衡 两种控制控制方式：一是由蓄电池通过双向DC/DC来控制实现稳压，而逆变器DC/AC只负责 功率大小方向的控制。SupercapacitorBattery图1-3混合式直流接入方式-4-71994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文二是由双向DC/DC负责功率潮流的控制，而逆变器来控制母线电压稳定，而达到光伏、储能及本地负载功率平衡匹配的功能。在储能系统中可以将超级 电容器与蓄电池并联，由于超级电容器功率密度小，响应迅速，而蓄电池能量 密度大，响应慢，将两者匹配起来进行能量的高低频补偿，可以进一步平滑并 网能量输出。在两级式PCS中，由于多一级DC/DC变换器，可以将蓄电池电压泵升至 更高的直流母线电压，因而可以灵活匹配直流母线电压等级。后级DC/DC 般采用的拓扑结构有隔离式与非隔离式。非隔离式有简单地Buck、Boost、Zeta、Sepic等，如图l-4a）所示。其中，Buck/boost结构简单、使用器件少、成本低 体积小，可靠性高且效率高。而带隔离的变换器有正激、反激、全桥、半桥、推挽等结构口”在应用于需要多个DC/DC变换器的PCS系统中，其效率偏低 且体积较大。目前广泛应用的有带隔离的双有源全桥DC/DC变换器，其具有 功率等级高、以及可以实现软开关特性等优点，在电动汽车充电桩中也有广泛图1-4双向DC/DC拓扑结构1.3三相PWM变流器控制策略研究现状单级式PCS结构简单、损耗低、但是不灵活，在充放电控制时对储能系 统的能量冲击大。两级式PCS中增加了 DC/DC升降压环节，使蓄电池电压更 好的匹配直流母线电压，增大了储能系统的工作电压范围，使得系统的容量配 置更灵活。PCS中前级AC/DC部分，一般采用三相电压型桥式变流器，其适 合于大功率场合，技术发展也相对成熟，在储能领域有着广泛的应用。经过国内外专家学者多年的研究，PWM变流器在电路拓扑结构、数学模 型、控制策略等方面都取得了丰硕的研究成果，而且软开关PWM调制技术也 得到越来越多的应用。本文采用的拓扑前级为三相电压源型桥式结构，后级为 Buck/Boost双向DC/DC,如图1-5是两级式与单级式PCS系统拓扑结构图。对PCS系统中PWM变流器的控制体现在直流母线电压动态性与稳定性、并网电流单位功率因数及网侧电流低THD,PWM变流器的控制方式也一般分-5-71994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文为间接电流控制与直接电流控制两种川。b）两级式储PCS图1-5变流器拓扑结构间接电流控制则视变流器输出的电压与相角作为可控量，通过公式计算进 而得到网侧正弦电流。其采用的开关频率低，只需要两个控制量，结构简单，但是由于需要反馈相角，在系统参数多变的情况下，需要准确高精度的相角检 测，尤其是对在电网电压恶劣的环境下，如电网电压不平衡与畸变等等，会引 起系统的不稳定。其动态响应达到46个基波周期，调节速度较慢，而且对系 统参数变化很灵敏。而直接电流控制则采用跟踪型的瞬时指令电流与网侧反馈电流，形成闭环 控制，达到对指令电流的稳定跟踪，并且电流环有很好的动态响应，系统鲁棒 性好。在电流跟踪控制中需要选取合适的滤波器来衰减由于PWM变流器的调 制产生的高次谐波。传统的L、LC滤波器已取得很好的滤波效果，但是相对 于LCL滤波器下，在获取相同滤波效果的前提下，LCL滤波器所用的感量更 小，从而减小了装置的体积，并且减小了成本，本文LCL滤波器将在第三章 介绍。在PWM变流器的矢量控制下，需要解决的是LCL谐振抑制。PWM变 流器的控制方式根据坐标定向不同可分为基于电网电压定向的矢量控制策略、基于虚拟磁链定向的矢量控制策略以及电网电压定向的直接功率控制-6-71994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(V-DPC)策略和虚拟磁链定向的直接功率控制(VF-DPC)策略口2。虚拟磁链定向矢量控制将PWM变流器模拟为虚拟发电机，由于磁链估算的积分很 大程度上可以减弱在电网电压畸变工况下谐波影响，达到定向精准，但是不可 避免的是积分环节的相位初始计算问题。直接功率控制具有快读动态响应，而 磁链估算无需电网电压传感器可以确定电网电压幅值相位，从而降低成本，图1-6是根据定向方式不同的直接功率控制V-DPC与VF-DPC结构图。a)V-DPC结构图b)VF-DPC结构图图1-6直接功率控制结构图针对三相电网电压出现不平衡及背景谐波的问题，国内外学者对抑制变流 器并网侧电流畸变已经有广泛的研究。其中两相旋转坐标下的基于电网电压定 向的矢量控制，并网电流调节器G1(s)采用PI控制口叫 在理想电网下可以准 确跟踪并网电流，在畸变电网下对干扰的抑制效果并不理想。而且在两相旋转 坐标系下产生的坐标变换，迫使控制器设计出现强耦合，而控制系统由于需要 解耦，所以变得很复杂。在电网电压不平衡时，由于有负序分量的存在，旋转 坐标变换将会引入倍频分量口力，PI控制器在倍频分量处增益有限，即实际应 用中比例系数Kp取值选取不得超过上限，比例系数即使取值很大，也改变不 了产生很大跟踪误差的弊端，这些负序分量是无法在PI环节下被很好的抑制，最终使得整个系统产生很大的跟踪误差，使电网的供电质量降低。针对这种情 况很多学者提出了自己的解决方法，文献18指出在电网电压负序分量存在情 况下，分别建正、负两个相序的囱旋转坐标，实现正、负序电流的解耦控制，实现无误差跟踪，抑制负序分量引起的母线电压波动并控制交流电网侧输入电 流的正弦化，由于在旋转坐标下分别对正、负序分量进行控制，需要4组PI 控制器，使得系统控制结构变得复杂，不利于实现。相对于阳旋转坐标下的 PI控制，PR控制在 侬坐标系下省去了变换可以对正弦化信号进行控制，由 PR控制器频率特性曲线知，谐振角频率下的高增益可以同时跟踪工频的正、负序分量，并且无需复杂的解耦变换，在越来越强大的数字信号处理器DSP控-7-71994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文制下，可以实现高精度的在线计算处理口见。由于PR控制器在谐振频率处增益 为无穷大，则选择容易实现的准谐振(Quasi-Proportional Resonant,QPR)控 制，在电网频率波动范围内(通常0.5Hz),还可以提供较高的增益，即使增 益有限但对于良好的控制目标已经足够，其谐振峰处的高增益同样可以同时对 工频正、负序分量进行抑制，简化了控制器结构2。对于电网中其他高次谐 波，多谐振调节器(MR)可以减小其他特定频率下的各次谐波,但是由于 谐振器参数比较灵敏，整定复杂，会造成系统不稳定甚至崩溃，并且对DSP 的计算处理也提出了更高的要求。由以上分析可知，静止坐标和旋转坐标下的 控制方法都能有效抑制谐波分量及其不平衡分量，但是其控制架构也越来越复 杂引起可靠性问题，从而实现起来也有一定的难度3。基于重复控制器的多 次谐波抑制囚,针对周期扰动，对误差信号进行逐周期补偿，进而实现对正 弦信号的无误差跟踪，具有较好的稳态控制性能，但由于控制器存在一个周期 的延时，其动态性能较差E,一般采取重复控制与PI结合的控制方法。基于 电网电压比例前馈的控制策略侬,将电网电压扰动通过前馈通道与调制波共 同作用在控制器上，但是，仅有比例前馈只能对低次谐波进行较好的抑制，而 在高次谐波干扰下甚至会起到相反的作用。基于此，阮新波等人引入电网电压 比例、一次微分及二次微分组合的电压全前馈控制方法PS,较好的消除了电 网电压的各次谐波分量的影响。但是，不足之处是在实际应用需要获得精确系 统参数而且微分环节会引入较大的噪声干扰，使得实现变得困难。无差拍控制 需要建立在精确的离散数学模型基础之上，可实现在一个周期内消除误差印,并且响应迅速，但是如果采用的数学模型与实际有较大的差别，不仅会引起控 制响应的不稳定性而且甚至造成控制系统的恶化.I。随着智能控制理论的发 展，一些先进的控制方法包括模糊控制29,3。、自适应控制印以及神经网络控 制等等32,引入到变流器控制策略中，因为控制器的设计不需要复杂精确地 建模，这对一些不确定性系统的控制具有很大的适用性。在实际中采用智能控 制与PI控制相结合构成复合控制策略后叫 取得很好的静态与动态性能。1.4本文的主要研究内容本文重点研究LCL滤波储能变流器前级部分三相两电平双向PWM变流 器的控制，选择LCL滤波的三相桥式电压型可逆PWM整流器作为研究对象，主要包含以下几个方面：(1)建立LCL三相PWM变流器在岫、邓、岗坐标系下数学模型，并 在模型基础上对LCL滤波器的有源与无源阻尼控制策略进行研究；根据系统 功率等级设计LCL滤波器的参数，以达到高频谐波的最优衰减。-8-71994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(2)设计QPR电流内环调节器，通过Bode图分析控制器的稳定性，在 畸变电网下采用比例谐振控制和重复控制结合的复合控制策略，电流内环QPR 控制实现对基波正弦的无误差跟踪，重复控制外环用于改善变流器的稳态输出 波形，抑制周期性波动，实现对电流的精准控制。(3)采用了双二阶广义积分器的锁相环，提取电网电压正、负序分量，在电网电压畸变及不平衡情况下进行精准锁相。(4)在Matlab/Simulink中搭建PWM变流器仿真平台，设计理想条件下 电流环的跟踪控制及电网电压畸变、不平衡条件下的控制策略，控制输出电压 脉动及输入电流的畸变，验证控制策略的合理性并且与双向DC/DC进行了联 调，实现能量流动双向可控，并验证系统的动态性。(5)详细推导控制流程中锁相环模块、QPR控制器模块、重复控制器模 块、SVPWM模块的设计及其数字化实现，并且在DSP28335中对各个模块设 计效果进行验证。根据实验室现有条件，最终搭建500W的硬件实验平台，引 入三相不可控整流负载以此模拟电网电压畸变的条件，进行控制策略初步验 证。-9-71994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章 储能变流器结构及工作原理2.1引言本章主要介绍了储能变流器的拓扑结构及其工作原理，主要推导了两级式 PCS中前级PWM变流器在两相静止坐标系与两相旋转坐标系下的数学模型，并且给出了滤波器的参数设计。2.2 储能变流器拓扑结构及工作原理如图2-1是两级式PCS结构图，主要由双向AC/DC、双向DC/DC、网侧LCL 滤波器及电池侧LC滤波器构成。开关管&（构成三相半桥式PWM逆变桥；变换器网侧滤波电感4、变换器侧滤波电感l以及电容C构成了 LCL滤波器。焰、4组成的简单的Buck/Boos双向非隔离DC/DC变换器，实现宽范围匹配 直流母线电压。图中，=Q，瓦c）为电网相电压，儿是变换器侧电流。丸为 网侧电流，氏。是变换器输出电压，丸是直流母线电压。图2-1中，直流母线电压的控制有两种方式，一是直流母线电压由PWM变 流器AC/DC部分进行控制，而DC/DC部分则负责控制功率流向，从而实现能 量的反向流动；二是直接由DC/DC部分进行母线升压控制，而设置指令电流 大小与方向控制功率流向，从而实现变换器两侧能量的交互。本文采用第一种 控制方式，由交流侧通过电压外环实现直流母线电压稳定，更简便的实现蓄电 池的充、放电控制。图2-1两级式PCS主电路拓扑结构充电时DC/DC处于Buck模式，根据蓄电池SOC可以采用三段式充电控制-10-71994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文方式即恒流、恒压及涓流充电；当蓄电池采用恒流放电控制方式，由变换器通 过逆变状态，实现电流并入电网。由于两级式PCS控制目标不同，两级可以设 计为完全解耦从而可以独立控制，为了方便建模将PWM变流器和DC/DC变流 器分别独立分析，本文主要针对前级变流器AC/DC部分进行研究。2.3 三相电压源PWM变流器数学模型如图2-2所示，变流器输入相电压分别为皿、汕、%，三相输入电流为 ga gD gc分别为七、八、八，变换器出口输出电压为心、成。、/。，其中线路上等效电 阻与、&测量为。4。，可以忽略不计，电容串电阻大小为负载为电阻凡或 者蓄电池。图2-2 PWM变流器主电路拓扑结构在Me静止坐标系下列写状态方程如式(2-1)：Uxo=尺1兀+4空+3%dtLs，从而推得4的最小值为:。+%（尸班）|/2啖4/2 ACQ啖fl(2-17)比较简便的计算方法一般是通过乙/4的比值来设计网侧电感，取值46 之间，为节约磁芯材料。适当取得大一些，同时谐振频率取值范围一般使其大 于工频的10倍，低于八一半，最后通过计算得到的乙乙。值并校验滤波器谐振 角频率范围取值：10/oZesZ/2(2-18)式中fo是电网基频50Hz；fs开关频率。最终，还需要校验乙上产生的压降之和低于电网电压的1。式中I-额定并网电流；/单相电网电压有效值，/取50Hz。通过计算得出4取值L57mH。（4）直流母线电容的设计需要提高电压环节的动态响应，电容充电时间常 数太大则电流跟踪响应速度慢，因此设计电容值小一些。为了抑制负载波动对 母线电压的影响，母线电压纹波设计通常越小越好，取纹波小于1%,电容取值 大较好，根据最小电容计算公式（2-20）,取其容量2200好。Cmin=22)s输出电流的闭环传递函数，2(s)如式(3-7),晨s)同时受参考指令与电网电压 的影响，控制器的目的就是尽可能的令参考指令即第一项系数为1,而干扰项 即第二项系数为0,如果电网电压富含丰富的谐波，则由式(3-7)必知对并网总 电流产生影响，从而造成系统的稳态误差增大。-22-71994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文菜)+急清(3-7)由图3-10知，系统截止频率 为39.8Hz,相位裕量90度，因而系统带宽太 低需要进行补偿。由于系统开关频率为8kHz,通常选取截止频率力为 1/1011/20之间且低于谐振频率，本文取 力出0.111,本文假设控制系统要 求要求在基频50Hz频率下，环路增益大于65dB,以保证对基频分量的跟踪；并且系统并网稳态误差低于1%,系统相位裕度大于45。，幅值裕度大于3dB,其控制器参数设计如下。图3-10 LCL滤波器传递函数Bode图由于在高于/频率处，GpR(s)伯德图幅频特性可以等效为比例环节勺，电 流环的稳定性与截止频率附近的频率特性相关，因此在分析电流稳定性的时候,可以将电流内环环路增益近似为式(3-8)：/。-3(限C+DK-(3-8)4乙2cs3+W+L2)RdCs2+W+L2)s由校正后系统的伯德图知，在截止频率处其增益为o,则幅值/(/2忒)|=1,从而求出Kp=17.6,取值18。由式(3-7)知，网侧输出电流由指令值与电网产生 的分量值组成，因此在基波及各次谐波下输出电流存在稳态误差，由于基波频 率下控制器的增益极高|GpR(J2或=Kp+%l,其网侧电流近似为式(3-9)：i2a(j27rf。)27tfo)+-7 g(J2)(3-9)Kp+(由于频率力远低于系统截止频率，电容容抗很大可以视为开路，从而滤 波器视为4+乙，式(3-8)进一步简化，令其增益大于65dB,由文献知(的取 值与稳态误差的关系卬，3”得式(3-10)：-23-71994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文.K+k201g|7(J2或)小、65dB maxW+4)2 L-1,W+4)2或)1l 弓 1 一%分别是基波下指令电流分量与电网电压分量产生的稳态误差，文中 分别取1%、0.5%0经计算得出发值取900。从而最终求得控制器的传递函数为:Gpr=18+2*900*5s?+2*5+3142(3-11)控制系统开环传递函数G0(s)如式(3-12)：/、2*900*5