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逆变器系统中准PCI控制器及其物理模型分析

更新时间：2019-12-30 15:06:58 大小：3M 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：逆变器pci控制器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

逆变器系统中理想比例复数积分(PCI)控制器在谐振频率处增益为无穷大,且在其他频率处没有增益,由此可以消除稳态误差,但是无限大的增益将会引起稳定性问题.提出一种基于αβ静止坐标系可消除交流稳态误差的准PCI(QPCI)控制器,此控制器可利用αβ静止坐标轴之间的耦合产生相互谐振实现对正弦信号的跟踪,同时在谐振频率处引入通频带宽ωc,既消除稳态误差又保证系统稳定性.此外还从物理模型重构的角度揭示准PCI控制器运行原理,以及参数对其性能的影响.通过对LCL型三相并网逆变器进行仿真和实验,对比PCI和准PCI的性能,验证了准PCI的正确性和优越性.

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2017 年 12 月  
第 32 卷第 24 期  
电 工 技 术 学 报  
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY  
Vol.32 No. 24  
Dec. 2017  
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.160677  
逆变器系统中准 PCI 控制器及其  
物理模型分析  
张纯江 郭忠南 骈帅华 王晓寰  
（燕山大学电力电子节能与传动控制河北重点实验室 秦皇岛 066004）  
摘要 逆变器系统中理想比例复数积分（PCI）控制器在谐振频率处增益为无穷大，且在其  
他频率处没有增益，由此可以消除稳态误差，但是无限大的增益将会引起稳定性问题。提出一种  
基于αβ 静止坐标系可消除交流稳态误差的准 PCI（QPCI）控制器，此控制器可利用αβ 静止坐标  
轴之间的耦合产生相互谐振实现对正弦信号的跟踪，同时在谐振频率处引入通频带宽ωc，既消除  
稳态误差又保证系统稳定性。此外还从物理模型重构的角度揭示准 PCI 控制器运行原理，以及参  
数对其性能的影响。通过对 LCL 型三相并网逆变器进行仿真和实验，对比 PCI 和准 PCI 的性能，  
验证了准 PCI 的正确性和优越性。  
关键词：并网逆变器 准比例复数积分器 物理模型 稳态误差  
中图分类号：TM46  
Analysis of Quasi-Proportional Complex Integral Controller and  
Its Physical Model in Inverter System  
Zhang Chunjiang  
Guo Zhongnan Pian Shuaihua  
Wang Xiaohuan  
（Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province  
Yanshan University Qinhuangdao 066004 China）  
Abstract The ideal proportional complex integral (PCI) controller can generate an infinite gain  
at the resonant frequency but no gains at other frequencies, which can eliminate the steady-state error  
completely. However, the infinite amplitude may cause stability problems. In this paper, a  
quasi-proportional complex integral (QPCI) controller is presented for eliminating the steady-state  
error in the stationary frame. The QPCI controller uses the cross-axis to produce resonance with each  
other, which achieves the tracking of sine signals. Meanwhile, introducing the frequency bandwidth ωc  
can both eliminate the steady state error and ensure the system stability. In order to deeply understand  
the principle operation of the controller and the impacts of parameters, this paper structures a physical  
circuit model. The theoretical analysis, simulations and experiments are carried out to compare the  
performance of the PCI, quasi PCI and the traditional quasi PR with three-phase grid connected  
inverter.  
Keywords：Connected-grid inverters, quasi-proportional complex integral, physical model, steady-  
state error  
国家自然科学基金（51177148），河北省自然科学基金（E2016203357）和燕山大学研究生创新项目（2015XJSS027）资助。  
收稿日期 2016-05-16 改稿日期 2017-03-17  
万方数据  
116  
电 工 技 术 学 报  
2017 年 12 月  
存在波动也依然能保持系统满足稳态误差要求，一  
定程度上增强了系统的鲁棒性；其次，以往论文中  
普遍从传递函数的角度分析控制器，其为高度抽象  
的数学表达式，工作原理和物理本质并不十分清晰，  
也不便于理解。本文建立 QPCI 的物理模型，从物  
理模型重构角度揭示控制器运行原理，QPCI 控制器  
在αβ 静止坐标轴之间建立耦合关系，通过相互谐振  
来实现控制，同时引入带宽系数ωc，在物理模型中  
增加阻尼电阻 RC 来避免 PCI 控制器在谐振频率处  
无限大增益带来的不稳定问题；最后绘制 QPCI 控  
制器物理模型并与 PCI 控制器物理模型进行对比，  
说明 QPCI 控制器与 PCI 控制器的物理本质区别，  
通过仿真和实验验证所提控制器的可行性及优越性。  
0
引言  
随着可再生能源并网发电的快速发展，微电网  
中并网发电技术得到广泛关注[1-3]。风能、太阳能等  
已成为分布式发电的主要能源，通常新能源通过并  
网逆变器将转换的电能传送到微电网[4,5]。并网逆变  
器的控制性能将直接影响微电网发电系统输出的电  
能质量[6]。因此，研究微电网中并网逆变器控制有  
重要的意义。  
微电网并网逆变器一般采用输出电流控制[7]，  
目前控制器及其方法有很多，比例积分（Proportion  
Integral, PI）控制器简单易实现、技术成熟，因此在  
实验和工程上得到广泛应用。但采用比例积分控制  
器只能控制直流量达到无静差，对交流量的指令信  
号无法实现无静差控制，PI 控制器存在稳态误差[8]。  
文献[9,10]对比例积分控制进行稳态误差分析，从消  
除稳态误差的角度提出比例复数积分器（Proportional  
Complex Integral, PCI）。与传统 PI 控制相比，PCI  
可消除并网电流稳态误差。微电网中分布式电源多  
采用下垂控制来实现对母线电压幅值和频率的控  
制，此控制下电压频率会在基频处存在波动，但 PCI  
控制器只能在特定频率下才能实现无静差，一旦偏  
离特定频率其增益迅速衰减，另外 PCI 控制器在特  
定频率下的无限大增益会引起稳定性问题。  
1
并网逆变器控制结构及 QPCI 提出  
1.1 主电路拓扑  
图1 为本文研究的基于LCL 型滤波器的三相并  
网逆变器结构拓扑。其中直流母线 Udc 由可再生能  
源提供，滤波电感 L1、Lg，滤波电容 Co 及谐振抑制  
电阻 Ro 构成 LCL 型滤波器[13]，滤波器通过静态开  
关 STS 与电网相连。IGBT 开关管 VT1～VT6 构成三  
相逆变器。通过适当控制使并网逆变器输出的电流  
与电网电压同频同相，实现单位功率因数并网运行。  
针对稳态误差问题，文献[11]提出一种比例积  
分-可降阶谐振（Proportion Integral-Reduced Order  
Resonant, PI-ROR）控制器，既能在同步旋转坐标系  
下实现无静差控制，也可以在αβ静止坐标系下实现  
无静差控制，但此控制器依然是在特定频率下才能  
实现无静差控制，控制器参数较多且相互影响，参  
数调节困难，一定程度上增加系统的复杂程度，运  
用场合存在局限性。文献[12]提出采用降阶广义积  
分器（Reduced Order Generalized Integrator, ROGI）  
代替 PR 控制器中的二阶广义积分器（Second Order  
Generalized Integrator, SOGI），从而得到降阶谐振  
（Reduced Order Resonant, ROR）控制器，采用此  
控制器可在αβ 静止坐标系下对并网电流进行控制。  
ROGI 为一阶复数形式，但文献[12]中未给出其数字  
化实现方法。  
图 1 基于 LCL 型滤波器的三相并网逆变器结构拓扑  
Fig.1 Topology for three phase grid-connected inverter  
with LCL type filter  
1.2 并网逆变器控制策略  
为实现αβ 静止坐标系下对逆变器电网侧电流  
进行控制，建立两相静止坐标系下并网逆变器控制  
策略如图 2 所示。图中采样电流 iαβ 和参考电流 i*αβ  
的误差作为 QPCI 控制器的输入，其输出为调制波  
uαβ，通过空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse  
Width Modulation，SVPWM）后生成 IGBT 驱动，  
来控制逆变器输出基波电压 uo，再经过 LCL 型滤波  
器与电网相连[14]。  
本文提出准比例复数积分（Quasi-PCI, QPCI）  
控制器及其物理模型并对其性能进行分析。相对于  
PCI 而言，QPCI 控制器虽然在谐振频率点的增益有  
限，但依然能满足稳态误差要求，而且使谐振频率  
点附近通频带宽大于 PCI 控制器，即使微电网频率  
图3 为并网逆变器线性控制模型，其中，GQPCI(s)  
为本文提出的 QPCI 电流控制器传递函数，L1、Lg、  
Co 组成滤波器，K 为 PWM 变换器等效增益，一般  
万方数据  

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