新型三态滞环电流自适应控制策略

暴 敏,李田泽,韩 涛,韩玉莹

(山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255091)

新型三态滞环电流自适应控制策略

暴 敏,李田泽,韩 涛,韩玉莹

(山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255091)

在分析与比较传统两态滞环电流控制和三态滞环电流控制的基础上,利用三态滞环电流自适应跟踪控制方法导出了一种新型环宽计算公式；利用Matlab/simulink工具建立了逆变控制系统仿真模型,使用该模型对并网系统电流控制进行了实验仿真.结果证明,该控制方法稳态性能好,实际电流波形理想,电流误差小.

滞环电流；自适应跟踪；环宽计算；仿真模型

随着世界能源短缺和环境问题的日益突出,光伏发电因其能源质量高、无公害、无枯竭危险等优点越来越被人们所接受［1］.作为光伏发电并网的核心部件,并网逆变器的输出电流(即并网电流)应能实时跟踪电网电量,且总畸变失真低［2］.

滞环控制具有结构简单容易实现,实际并网电流误差小［3-4］,稳定性好等优点.传统的两态电流滞环控制中全桥电路的开关频率高,易导致电磁干扰等问题.三态滞环电流控制只有两个开关在高频状态下工作,开关频率较低,且动态响应较快,降低功率管的开关损耗.本文在三态滞环电流控制的基础上导出了一种新型环宽计算公式,可以根据电气参数改变滞环宽度,得到固定的开关频率,从而达到改变环宽稳定开关频率、降低开关损耗的目的.逆变器的输出电流能够实时跟踪参考电流变化,误差较小.

1 单相全桥并网逆变器滞环控制理论

单相并网逆变器主电路可抽象为图1所示的电路模型,通过控制桥臂的通断来调节桥臂中点A、B的输出电压.由图1可得逆变器输出电压、电感电压与电网电压的关系：

图2为传统两态滞环控制的原理图.令i为实际并网电流(i＞0)为给定参考电流,则电流误差.给定环宽为2H.当＜―H时,实际并网电流,此时

图1 单相全桥并网逆变电路

图2 两态滞环控制原理图

图1 中S1、S4导通,S2、S3关断,并网逆变器的输出电压为,此时L承受正电压,于是并网电流上升,当上升到使＞H时,S1、S4关断,S2、S3导通,此时逆变器的输出电压变为―,电感L两端变为负电压,从而使并网电流下降.这样,并网电流i最终在上下环宽内变化,实现实时准确跟踪.

2 三态滞环电流自适应跟踪控制

逆变器开关频率由滞环宽度决定,滞环宽度H越窄,开关频率f越高,逆变器的输出电流波形更接近于参考电流的波形,越能实时精确跟踪.但如果增加开关频率,不仅会减少功率管的使用寿命,其频繁的开断也会造成电磁干扰的问题,自适应滞环电流控制,其原理是实时根据电网电压、逆变器的输出电压等参数调整滞环宽度,从而使平均开关频率维持基本不变［5-6］.

2.1 三态滞环电流控制理论分析

本文以电网电压的正半周为例说明三态滞环电源控制的原理。在电网电压正半周,当电流误差＜―H时,S1、S4导通,S2、S3关断,此时A、B两端输出电压、并网电流在正电压作用下上升；当上升到＞H时,S1、S2导通,S3、S4关断,此时A、B两端输出电压是0下降.由上述可以看出的变化范围被限制在±H内.当处于电网电压负半周时,可作类似分析,在此不再赘述.A、B两端输出电压为―和0.

图3 三态滞环控制开关逻辑及输出

三态滞环控制开关逻辑和输出电压如图3所示,在电网电压的正半周,S1处于一直导通状态, S2、S4互补导通；在电网电压的负半周S3处于一直导通状态,S2、S4互补导通.因此,在一个周期内4个开关管只有S2、S4工作在高频状态.与两态滞环控制(其4个功率管都处于高频状态)相比,这种控制方式可以优化光伏并网逆变器的开关逻辑,降低功率管的开关损耗.通过控制开关的关断,使并网电流i与电网电压同频同相.

2.2 三态自适应滞环控制原理框图

为了实现上述开关逻辑,可以增加过零比较器来控制全桥逆变器中功率管的通断,图4所示为三态自适应滞环控制的原理框图.通过同步电路和乘法电路获得与电网电压同频同相的参考电流,再通过过零比较器产生驱动脉冲使S1、S3工作于互补导通状态；电流误差控制电流滞环控制器使其发出PWM脉冲以驱动S2、S4互补通断.

图4 三态自适应滞环控制原理框图

2.3 数学模型

根据实际给定的参考电流是不断变化的正弦波,本文建立了三态滞环电流自适应控制数学模型,并推导出三态滞环电流自适应控制的环宽公式.图5为三态滞环电流自适应控制电流、电压波形,图中为参考电流为实际上升电流为实际下降电流.

图5 三态滞环电流自适应控制电流、电压波形

在图1所示的全桥逆变器电路中,忽略电感电阻,滤波电感电流iL与逆变桥输出电压uout和电网电压u0的关系为

可以得到三态自适应电流滞环宽度的计算公式：

由式(8)可知,通过调节滞环宽度,可以得到固定的开关频率,从而达到改变环宽稳定开关频率的目的.根据(8)式建立三态自适应电流滞环宽度计算器的Matlab仿真模块,如图6所示.

图6 三态自适应电流滞环宽度计算器仿真模块

3 仿真及实验结果

利用Matlab/simulink仿真工具建立的逆变系统仿真模型如图7所示.其中直流电源、单相全桥逆变并网电路、滤波电路和模拟单相电网构成主电路, FPGA控制器模块、环宽计算模块以及示波器模块构成控制电路.

电网电压有效值为220V,频率为50 Hz,滤波电感为5m H,直流电压为500V,电路模型仿真使用固定步长为1μs的离散算法,在功率管的开关频率为10 k Hz时对逆变器的输出电流进行了仿真.

仿真结果如图8所示.其中上图为给定的参考电流,其波形与电网电压同步,幅值为电网电流的1/16(即有效值是14A；下图为逆变器的实际输出电流,通过图像可以看到,实际电流波形比较理想,较好的跟踪了参考电流,实现了单位功率因数并网.

图7 单相全桥并网逆变器仿真模型

图8 给定参考电流及实际输出电流波形

图9 为并网电流误差波形.由图可知,并网电流跟踪误差在―0.2～0.2A内变化,误差较小.验证了三态滞环电流自适应跟踪控制的可行性和稳定性.

图9 并网电流误差波形

4 结束语

本文建立了三态自适应滞环宽度数学模型,该模型可以通过调节滞环宽度保持开关频率不变.当滞环宽度随电网频率变化时,逆变器能够紧密跟踪参考电流的变化,输出优良的正弦电流,与电网电压同相,实现单位功率因数运行.通过实验仿真验证本文建立的三态自适应滞环宽度数学模型具有较好的运行性能,能有效提高太阳能光伏并网发电逆变器的逆变频率.

［1］赵争鸣.太阳能光伏发电及其应用［M］.北京：科学出版社,2005.

［2］侯世英,肖旭,徐曦.基于间接电流控制的并网逆变器［J］.电力自动化设备,2010,30(6)：76-79.

［3］黄怡飞.单相并网逆变器的三态滞环控制策略［J］.电气技术, 2011,12(6)：16-18.

［4］Krismadinata.Implementation of hysteresis current control for single-phase grid connected inverter［C］//Power Electronics and Drive Systems 2007.PEDS′07.7th International conference on, 2007：1 097-1 101.

［5］戴训江,晁勤,加玛力汗·库马什,等.光伏并网逆变器滞环电流的自适应控制［J］.电源技术,2009,33(12)：97-100.

［6］洪峰,单任仲,王慧贞,等.一种变环宽准恒频电流滞环控制方法［J］.电工技术学报,2009,24(1)：21-25.

(编辑:刘宝江)

The new three-level adaptive hysteresis current control strategy

BAO Min,LI Tian-ze,HAN Tao,HAN Yu-ying
(School of Electric and Electronic Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255091,China)

Based on the analysis and comparison of the traditional two-state hysteresis current control and the three-state hysteresis current control,the paper using the three-level adaptive tracking hysteresis current control method derived a new ring width calculation formula,using Matlab/simulink establish the inverter control system simulation model,and emulated the grid system current control.The simulation results indicate that the control mode state is steady,the actual current waveform is ideal and the current error is small.

hysteresis current；adaptive tracking；ring width calculation；simulation model

1672―6197(2013)01―0017―04

TN433

A

2012- 10- 11

国家自然科学基金资助项目(50807034)；山东省自然科学基金资助(ZR2011EEQ025)；山东省淄博市科技发展资助项目(2011GG01116)；山东理工大学重点学科资助项目

暴敏,女,bm19880329@163.com；通信作者：李田泽,男,ltzwang@163.com