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 英格蘭 S10 2TN）

當今社會，世界各國的科技水平都在逐步提升，人們在社會建設與經(jīng)濟發(fā)展的過程中越發(fā)依賴電力能源的使用，而隨著環(huán)境污染與能源緊缺問題的日益嚴峻，人們更加注重以可再生能源為核心的發(fā)電技術。逆變器應用在電力系統(tǒng)中具有可控性與高效性等優(yōu)點，可以有效提升電力系統(tǒng)運行效率。

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

1 三相逆變器輸出電壓不穩(wěn)定簡介

三相逆變器的不穩(wěn)定狀態(tài)會對電網(wǎng)系統(tǒng)造成一定的影響，不穩(wěn)定的電流會導致電機設備在轉動過程中出現(xiàn)機身抖動、噪聲等現(xiàn)象，從而大幅度降低電機輸出功率，在負載過大的情況下會出現(xiàn)電機過流故障與電機保護裝置頻繁運作的現(xiàn)象。

如果這種現(xiàn)象不能及時有效地解決，可能會導致電機設備溫度逐漸增高，甚至出現(xiàn)電機燒毀事故，嚴重影響到電機設備使用的安全性。不穩(wěn)定的輸出電壓可能會導致部分電力系統(tǒng)在非啟動狀態(tài)下啟動運轉，導致設備設施出現(xiàn)不正常運轉狀態(tài)，對電力系統(tǒng)整體的安全性與穩(wěn)定性造成嚴重影響。

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載時，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)量控制過程中，對占比高的諧波進行科學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。為保障負載電壓是正弦電壓，三相逆變器的控制器需要無差別化控制不同的諧波信號，可以利用諧振控制、選擇性補償、瞬時功率理論等方法進行有效控制。

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會通過一個電壓控制器，將輸出的信號看作電流控制器的參考信號，用i*Lαβ表示，參考電流在去除電感電流后會通過電流控制器，將輸出的信號作為PWM的驅動信號，以此控制開關管路的連接與斷開。

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Gv(s)控制器后可以作為輸入內(nèi)環(huán)的信號。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)過比較后經(jīng)過比例控制器Gi(s)，最后能夠得到調(diào)制信號。通過對圖2系統(tǒng)進行分析能夠得知，從理論角度來講，如果相位補償諧振控制器的諧振點處于無限增益的狀態(tài)，那么相位補償諧振控制器能夠對參考電壓進行無誤差的穩(wěn)定跟蹤，同時，系統(tǒng)整體的輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會受到負載電流因素的影響。

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，即對二階廣義積分器進行科學適當?shù)难芑D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)中植入動力學模型，且保持動力學模型中的交流量相等。二階諧振控制器中存在兩個互相對稱的極點，雖然能夠同時跟蹤特定頻率的正負序分量，但是從實質(zhì)角度來講并不能做到真正意義的正負序分離。如果將二階諧振控制器進行科學合理的降階處理，構造出只具備單一極點的降階諧振控制器，則可以滿足對不同頻率的正負序分量進行有效的、獨立的無差別跟蹤。

降階諧振控制器能夠對逆變器控制系統(tǒng)延遲進行補償，位于s域的傳遞函數(shù)Rh(s)能夠分成兩個一階部分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時的平均補償相位。

兩個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時達到最大增益值，此時h=1，φh=π/4，Kh=2。當處于其他狀態(tài)時增益值均為0。由此可以得知，當負序頻率處滿足Rh-(s)、正序頻率出滿足Rh+(s)時即可保障在預期頻率點位得到無限增益，從而有效減少控制器的變量，有效降低計算負擔。

4 基于降階諧振控制器的電壓控制

通過上述能夠得知，在頻率為314rad/s左右的增益遠遠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擁有無限的增益效果。但是需要注意，電力系統(tǒng)的正常頻率在實際運行過程中會存在一定程度的數(shù)值偏差，偏差范圍在0.5Hz左右，會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性構成一定的威脅破壞?？梢岳迷黾幼枘犴椀姆椒▽惦A諧振控制器系統(tǒng)進行有效改進，以此擴大降階諧振控制器中增益頻率的范圍。不同的參數(shù)條件會呈現(xiàn)出不同的實際增幅效果，通過不斷實驗能夠得知，改進后的降階諧振控制器在諧振頻率點位的增幅效果由Kh參數(shù)獨立調(diào)節(jié)，呈現(xiàn)成比例關系，即Kh數(shù)值越小，則增益效果越差。諧振頻率點位附近的相位特性與帶寬情況由增加的阻尼項決定。

5 仿真分析

為了驗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)的真實性與有效性，構建了仿真模擬模型，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)

通過仿真模擬能夠發(fā)現(xiàn)，當三相逆變器不添加諧振控制器時，A相輸出電壓無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較高，因此，本文主要對-5與7次諧波控制器的逆變器控制效果進行研究分析，通過數(shù)據(jù)比對發(fā)現(xiàn)，無諧波控制器時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。

通過對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行分析，能夠得出結論：此時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。同時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的數(shù)值相差無幾，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，添加降階諧振控制器的三相逆變器對電壓系統(tǒng)的實際控制效果更加良好。

仿真模擬試驗中，對添加基波、-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)對比分析，能夠發(fā)現(xiàn)改進后的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 改進前后的A相輸出電壓總諧波畸變率

通過表3數(shù)據(jù)能夠得出結論，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)對電力資源的輸送、生產(chǎn)與利用效率。

6 結語

電力企業(yè)為加強三相逆變器在電力系統(tǒng)中非線性負載運行能力，解決傳統(tǒng)電壓控制系統(tǒng)中存在的計算體量大、無法開展極性選擇等問題，可以使用降階諧振控制器對電力控制系統(tǒng)進行改革優(yōu)化。

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