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1、高 等 电 力 电 子 技 术,Advanced Power Electronics,第4章 控制系统设计,4.1,引言,控制结构设计,调节器结构设计,基本内容,4.2,4.3,4.3,4.1 引言,电力电子变换的主要任务是通过控制使电力电子系统完成既定的电能变换，并输出期望的电流、电压或功率。 为克服系统参数变化或扰动对系统输出的影响，必须引入闭环控制，其典型的控制结构如图4-1所示 。,图4-1 电力电子系统闭环控制结构图,电力电子系统的控制主要包括对给定信号的跟随（跟随性）和对扰动信号的抑制（抗扰性）两个方面。而对于不同的电力电子系统，其控制性能对跟随性和抗扰性的要求则有所不同。 VSR
2、的控制性能要求主要是使其输出电流具有良好的控制跟随性。 VSI的控制性能要求主要是使其输出电压具有良好的控制抗扰性。,4.1 引言,4.2 控制结构设计,主要内容： 4.2.1 问题的提出 4.2.2 基于LCL的VSR内环结构设计 4.2.3 基于LC的VSI内环结构设计,4.2.1 问题的提出,1）关于VSR 采用LCL滤波器的主要目的是利用相对较小的滤波电感来有效滤除PWM高频谐波 ，但会产生谐振，为此可以采用多环控制策略来抑制谐振，从而改善系统的稳定性。,图4-2 基于LCL滤波的电压型有源逆变器VSR主电路,为了讨论控制系统的结构设计，首先讨论两种基本的电压型逆变器即：电压型整流器V
3、SR和电压型逆变器VSI。,为了抑制 波动对输出的影响，一种简单的方法是对 进行检测，并在控制系统中加入的解耦环节，如图4-3所示,可见对于基于LCL滤波器的VSR而言，可采用三环控制策略：外环为直流侧电压控制环（稳定直流电压）；中环为输出电流控制环（有功、无功电流控制）；内环是在中环的基础上引入交流侧LCL滤波器中某一变量的反馈控制，以提高系统的稳定性。 不同的内环反馈变量对系统稳定性的影响可能存在较大的差异，合适的内环反馈变量选择将对系统稳定性的改善起着重要作用。,图4-3 解耦结构框图,4.2.1 问题的提出,2）关于VSI LC滤波器本身也存在谐振现象，从而影响逆变器控制的稳定性。在L
4、C滤波器的电感或电容中串入阻尼电阻均可以有效抑制LC滤波器的谐振 。与基于LCL滤波器的VSR相同，基于LC滤波器的VSI也可以采用基于多环的控制策略来改善逆变器控制的稳定。,图4-5 基于LC滤波的电压型VSI主电路,4.2.1 问题的提出,基于LC滤波器的VSI可以采用典型的双环控制策略，即电压外环（稳定和控制逆变器的输出电压）、控制内环（用于改善控制性能）。控制内环反馈变量也存在不同的选择，而不同反馈变量对系统性能的影响也不同，因此也需要进行内环反馈变量的选取。 综上所述，无论是基于LCL滤波器的VSR还是基于LC滤波器的VSI，当采用多环控制策略来改善控制系统性能时均存在内环反馈变量的
5、合理选取问题（外环或中环等一般是由控制要求决定）。,4.2.1 问题的提出,4.2.2 基于LCL的VSR内环结构设计,基于LCL的VSR控制可采用直流电压外环、输出电流中环以及控制内环的三环控制结构来改善系统的控制性能。 以下以恒定的直流电压源供电为例来讨论基于LCL的VSR的内环控制结构问题，则直流电压外环不予考虑。输出电流中环的反馈变量一般均为逆变器输出的无功、有功电流。则只有内环的反馈变量没有确定。 对于基于LCL的VSR而言，内环反馈变量共有5种选择：电感中的电流、电感的端电压、电容C中的电流、电容C的端电压以及电感的端电压。,图4-7 基于LCL的VSR输出电流单闭环控制系统结构,
6、那么对于这5种反馈变量该如何选择呢？,（1）电容电流 反馈,图4-8 基于 反馈的单位调节器内环控制结构图,由系统结构图可得基于电容电流反馈的单位调节器内环的开环传递函数为：,可见，无论内环增益K如何变化，基于 电容电流反馈的单位调节器内环控制始终是稳定的。,4.2.2 基于LCL的VSR内环结构设计,实际上，可以通过比较引入不同反馈变量后系统的稳定性指标来选择出最优的反馈变量。,则其内环根轨迹如右图所示,（2）电感 电压 和电容电压 反馈,图4-10 基于 反馈的单位调节器内环控制结构,图4-11基于 反馈的单位调节器内环控制结构,可见，二者内环控制结构仅是电网电压扰动点的位置不同，即系统的
7、抗扰动性能不同。而当只考虑系统给定的跟随控制时，两者具有相同的控制性能。因此，这里仅以基于 反馈的内环控制进行讨论。,4.2.2 基于LCL的VSR内环结构设计,基于 反馈的单位调节器内环开环传递函数为,无论内环增益K如何变化，基于 反馈的单位调节器内环控制均不稳定，而基于 反馈的单位调节器内环控制也具有同样的结论。,4.2.2 基于LCL的VSR内环结构设计,其内环根轨迹如右图所示,（3）电感电流 反馈,基于 反馈的单位调节器内环开环传递函数为,内环增益K如何变化，基于 反馈的单位调节器内环控制始终是稳定的。,图4-13基于 反馈的单位调节器内环控制结构,其内环根轨迹如右图所示,4.2.2
8、基于LCL的VSR内环结构设计,（4）电感L1电压 反馈,基于 反馈的单位调节器内环开环传递函数为,内环增益K如何变化，基于 电容电流反馈的单位调节器内环控制始终是不稳定的。,4.2.2 基于LCL的VSR内环结构设计,图4-15 基于 反馈的单位调节器内环控制结构,其内环根轨迹如右图所示,4.2.2 基于LCL的VSR内环结构设计,为了最终确定最优的内环反馈变量，以下将对上述五种反馈变量所构成的单位调节器内环进行综合比较，为对比方便，将五种反馈变量构成内环的根轨迹画在一起，如图4-17所示。,图4-17五种反馈变量所构成的单位调节器内环的根轨迹,1）当以 、 、 作为反馈变量时，所构建的基于
9、单位调节器的系统内环是不稳定的。 2）而当以 和 作为反馈变量时，所构建的基于单位调节器的系统内环总是稳定的。 3）对比基于 和 反馈的单位调节器系统内环控制发现，采用 反馈时，系统阻尼比 较小，而采用 反馈时，系统阻尼比 可在较大的范围选择。,因此，基于LCL的VSR应采用以电容电流 作为反馈变量的内环结构。,1） VSI直流侧多采用整流电源或蓄电池等供电，因此一般无需直流电压反馈。 2）为了提供稳定的交流输出电压，输出电压的闭环控制是必须的。 3）对于输出采用LC滤波器的VSI而言，由于LC滤波器的谐振特性，输出电压单闭环的VSI控制可能存在系统稳定性问题，为此也可以通过引入内环控制来提高
10、系统稳定性。 与基于LCL的VSR内环设计一样，内环的反馈变量选择并不唯一。,4.2.3 基于LC的VSI内环结构设计,图4-18 基于LC的VSI输出电压单闭环控制结构 图4-18为基于LC的VSI输出电压单闭环控制结构，显然，根据LC滤波器的电参数，内环的反馈变量有三种选择， 即：电容电流 、电感电流 或电感电压 。,4.2.3 基于LC的VSI内环结构设计,对于基于LC的VSI控制而言，考虑到VSI输出电压控制的抗扰特性，因此可以通过比较其稳定性、抗扰性等指标来进行控制内环变量的选取，具体分析如下：,（1）电容电流 /电感电流 反馈 图4-19 基于电感电流 反馈的单位调节器内环控制结构
11、 图4-20 基于电容电流 反馈的单位调节器内环控制结构 分析对比图4-19、图4-20所示的两种控制结构，当不考虑负载电流扰动时，电感电流反馈与电容电流反馈具有相同的单位调节器控制结构，也就是说从跟随给定的控制性能上两者具有是相同的性能，因此在分析系统跟随给定控制的稳定性分析时，可以一并讨论。,4.2.3 基于LC的VSI内环结构设计,由于不考虑负载电流扰动时，电感电流反馈与电容电流反馈具有相同的单位调节器控制结构，此时其单位调节器内环的开环传递函数为： （4-5） 其中，内环增益K=1* = 。 相应的内环根轨迹如图4-21所示： 可见，基于电容电流 /电感电流反馈的 单位调节器内环控制始
12、终是稳定的。 图4-21 基于电容电流 /电感电流 反馈的单位调节器内环根轨迹,4.2.3 基于LC的VSI内环结构设计,（2）电感电压 反馈 图4-22 基于电感电压 反馈的单位调节器内环控制结构 基于电感电压反馈的单位调节器内环的开环传递函数如下： （4-6） 其中，内环增益K=1* = 。 相应的根轨迹如图4-23所示： 显然，不论内环增益K取多大值， 基于电感电压 反馈的单位调节 器内环控制总是不稳定的。 图4-23 基于电感电压 反馈的单位调节器内环根轨迹,4.2.3 基于LC的VSI内环结构设计,以上分析表明：对于单位调节器内环控制系统而言，采用电容电流或电感电流作为内环反馈变量的
13、单位调节器内环控制始终稳定，而采用电感电压反馈的单位调节器内环控制始终不稳定，因此内环反馈变量应在电容电流或电感电流之间选取。 由于采用电容电流或电感电流作为内环反馈变量的控制系统具有同样的稳定性，因此必须从其他方面进行比较和分析，以确定最优的反馈变量。为此可以从内环系统抗扰性对两种反馈变量的控制性能进行比较和分析，以下比较两种电流反馈在外环开环条件下的抗扰性能。,4.2.3 基于LC的VSI内环结构设计,实际上，逆变器的输出阻抗可以反映负载电流扰动对逆变器输出电压的影响，输出阻抗阻抗越小，系统的抗扰性能越好。 定义输出阻抗为开路电压和短路电流的比值 以电感电流为反馈变量时，由图4-19得系统
14、以负载电流作为输入的传递函数为： （4-7） 而以电容电流为反馈变量时，由图4-20得系统以负载电流作为输入的传递函数为： （4-8）,4.2.3 基于LC的VSI内环结构设计,图4-24表示了不同反馈变量时内环系统的输出阻抗的频率特性。 由图4-24分析：以电容电流为反馈变量的系统比以电感电流为反馈变量的系统在低频段具有更小的输出阻抗，因此系统具有更好的抗扰性能。 从结构框图4-19与图4-20的对比中也可以看出：由于电容电流反馈时负载扰动在反馈环内，而在电感电流反馈时负载扰动在反馈环外，显然，从闭环控制的抗扰性角度也可知作为反馈变量更为合适。,图4-24 内环反馈变量不同时的系统输出阻抗的
15、频率特性,4.2.3 基于LC的VSI内环结构设计,4.3 调节器结构设计,4.3.1 问题的提出 4.3.2 同步坐标系下的调节器结构 4.3.3 静止坐标系下的调节器结构设计 4.3.4 不同坐标系下调节器结构比较,主要内容：,4.3 调节器结构设计,对于逆变器控制而言，其指令信号常为工频正弦信号，一般要求其输出信号实现对给定正弦信号的无静差控制。 对于基于LCL的VSR则要求实现输出电流的无静差控制，而对于LC滤波的VSI则要求实现输出电压的无静差控制。,在闭环系统中，无静差控制这一目标通常是通过调节器的无静差调节来完成的，而调节器的无静差调节主要由调节器的结构所决定的。,4.3.1 问
16、题的提出,通过abc-dq的坐标变换可以将三相静止系下的交流量转成同步坐标系下的直流量，所以无静差控制与相应坐标系有关。,可见逆变器控制可分为在同步坐标系下实现对直流给定信号的无静差控制和在静止坐标系下的实现对正弦给定信号的无静差控制两大类。,在静止坐标系中，逆变器的指令信号为正弦波信号，因此必须设计相应的调节器结构以满足正弦时变信号的无静差控制要求；而在同步旋转坐标系中，逆变器的指令信号被变换为直流信号，因此可以采用常规的PI调节器设计，以满足对直流信号的无静差控制要求。,实际上，控制理论中的内模原理给出了系统实现无静差跟随的基本要求。,4.3.1 问题的提出,内模原理告诉我们：如果 是某反馈控制系统输入信号和扰动信号不稳定极点构成的关于s的多项式，在该系统反馈控制环路内部引入 之后，这个反馈控制系统就具有良好的跟踪指令以及抵消扰动影响的能力，则 就称为内模，而
