对单相逆变器控制技术接口与微电网可再生能源

V Senthil库马尔¹,阿伦我²,Dr.V Gomathi³

PG的学生,电力系统Engg, EEE, CEG,安娜大学印度钦奈¹
研究学者,电力系统Engg, EEE, CEG,安娜大学印度钦奈²
助理教授,电力系统Engg, EEE, CEG,安娜大学印度钦奈³

文摘

本文提出了一种新型电流控制技术来控制活动和无功功率流从一个微电网系统由可再生能源通过单相并联逆变器。并行连接逆变器确保较低的活跃和从电网无功功率流总谐波失真甚至在非线性负载的存在。基于p q理论方法用于查找引用当前并行连接的逆变器,以确保电网终端所需的操作条件。提出的电流控制器实现起来比较简单,给传统的电流控制器性能优越,如旋转坐标系比例积分控制器或静止坐标系比例谐振控制器。提出了控制器的稳定性是保证由李雅普诺夫直接方法。进行详细的仿真给出了在MATLAB / SIMULINK仿真,结果显示提出的电流控制方案的有效性和提出非线性控制器来控制有源和无功功率流在不同的操作条件下在一个单相微型智能电网"。

关键字

Lyapunov-function-based控制器并联电流控制电压源逆变器(CCVSI), p q理论基于当前计算器。

介绍

微型智能电网"的研究变得越来越受欢迎是因为经济使用电力的需要。如今,大量使用可再生能源来减少发电用天然煤炭和其他化石燃料。电力系统正在变得越来越强调由于电力需求的增加,限制功率输出能力的网格,在修建新的输电和配电线路并发症,导致停电[1]。电力电子转换器的发展及其复杂的高性能控制器可以集成不同类型的可再生能源的微型智能电网" [2]- [6]。主要可以看出,进行广泛的研究是为了连接可再生能源三相电网使用三相脉宽调制(PWM)逆变器。

在媒介权力的微型智能电网"应用程序中,单相逆变器也大行其道。在一个典型的住宅应用程序中,使用可再生能源来减少负载功率需求的微型智能电网"。这些网格连接逆变器广泛应用于三相微型智能电网"活动,以及作为有源滤波器无功功率控制栅极电流中的谐波含量降到最低(控制谐波功率)的负载[7]- [9]。为了方便积极和无功功率的控制网格,在三相逆变器电流跟踪使用比例谐振(PR)控制器中实现同步旋转“dq”框架。电网电流谐波减少使用比例积分(PI)和多个PR控制器中实现同步旋转“dq”框架。相似类型的电流控制也由使用重复控制器以及迭代学习控制器[14]。所有这些电流控制是实现同步旋转“dq”框架。

摘要Lyapunov-function-based电流跟踪控制器提出了单步microgrid-connected可再生能源通过逆变器[11]。提出的控制器相比更容易实现与其他类型的控制器。它直接实现真正的相域和网格的基本频率无关。该控制器显示快速跟踪误差的收敛性。稳定的控制器是利用李雅普诺夫直接方法派生而来。

一个典型的多总线结构的微型智能电网"配置考虑图1所示。三个平行的微型智能电网"由分布式发电(DG)系统,即,DG1 DG2, DG3。

DG1由可再生能源以及相关电力电子能量提取器和界面的局部总线使用并行连接逆变器拓扑。[2],[3]的直流环节逆变器、储能元件(如电池等)也是连接。在当地的公共汽车,一些关键负载连接。本项目工作的重点在于讨论DG1内的并联逆变器的控制。在正常运行方式下,微型智能电网"连接到公用电网在新闻申诉委员会通过一个静态转换开关(STS)。在这种模式下,内部DG1,大多数可再生能源存储在电池中提取,和临界负荷有功功率通过局部总线从常见的总线。但是,如果需要,一定的提取或储存能量也是美联储通过局部总线通用总线局部总线的功耗降低活跃。

坐落的条件,当微型智能电网"是孤立的从主公用电网通过STS开关,电力需求的DG的DG系统改变,每个系统应立即按照改变电力需求稳定电压在公共汽车在微型智能电网"。本文提出了一种控制技术实验研究和验证的并联逆变器内部DG1 [10]。当前参考变频器是减去目前所需的网格测量负载电流。以防有局部总线电压变化,提出的控制方法能够维护所需的电力需求的自动调整当前CCVSI。所有DG1的特点也可以实现效用的发电模式。在这种模式下,该控制技术也消除了外部的需要功率因数校正(PFC)电路的电流控制方法使单个逆变器的功率控制和本地官栅极电流控制。

逆变器配置及其控制的描述

答:逆变器总成的描述

变频器电源电路是之前一组可再生能源提取装置和可再生能源器直接连接到电力电子转换器(压电陶瓷)。压电陶瓷是一个典型的直流/直流转换器,如果可再生能源提取器是一个光伏(PV)面板或燃料电池系统,和一个典型的ac / dc变换器,如果可再生能源提取器是永久磁铁或induction-machine-based风力涡轮机。

压电陶瓷的输出连接到直流PWM电压源逆变器的链接(VSI)。PWM逆变器的直流环节,一个储能元件,电池,也是连接与压电转换器的输出。如图2中所示。,PWM逆变器直接连接在平行的微型智能电网",在电流控制电压源模式。

直接连接的负载微型智能电网"。电力电子转换器操作以这样一种方式,可再生能源运行在最大功率点(MPP)和MPP有功功率PMPP从可再生能源中提取源[16]- [17]。

b .参考电流的逆变器

假设压电转换器是提取最大功率(最大点操作)可再生能源和存储元素电池操作得当,变频器直流链接可以建模为一个直流电源。目标的局部总线电压、负载和可再生能源基于源代码的逆变器连接,称为栅极电压vg。负载连接到电网电压vg和并行CCVSI可视为当前集成电路补偿器并联活跃

如果所需数量的活跃和从电网无功功率流是Pg和路上,分别,那么参考栅电流强度可以通过应用p q理论[15]。应用p q理论,真实与虚幻的轴的概念引入了如图3所示(b)。实轴电网电压vgr = vg和实轴栅极电流参考igr =。相应的虚轴栅极电压和虚轴栅极电流引用vgi igi,分别。如果一个量的瞬时值在实轴,相应量的瞬时值在虚轴可以估计通过实轴量值通过希尔伯特变换(提供90阶段导致所有的频率)。

希尔伯特变换操作是近似实轴数量通过全通滤波器H (s) = (1 - T) / (1 + Ts),其中T = 1 /ω,ω是基本电力频率弧度每秒。通过使用这种技术,从瞬时测量vgr vgi估计。因此,时域卷积,vgi (t) = h (t) * vgr (t)。利用p q理论[15]-[17],瞬时活跃和在电网无功功率流平衡方程可以写成:

“2”的多重的左边(1)是由于这一事实,使用功率计算的空间矢量的概念,介绍了虚轴,因此,左侧所示的总功率(1)照顾的总功率由真实和虚构的轴。(1)通过反相矩阵,igr和igi可以解决。真正的栅极电流参考可以计算如下:

如果基尔霍夫电流定律(氯化钾)在PCC终端应用,参考当前CCVSI是发现通过测量负载电流,给出的

因此,通过传感瞬时负载电流和电网电压vg, CCVSI电流的瞬时值可以找到参考∗使用(2)和(3),根据微型智能电网"活跃以及无功功率流需求Pg和路上,分别见图4。在视图。逆变器电流参考生产的比较结果,并通过比较参考电流的负载电流的网格。给出了有源和无功功率值按所需的输出功率值。

基于李雅普诺夫函数的非线性控制器的设计

一个。造型CCVSI系统

CCVSI当前参考∗可以有任何类型的周期性形状根据负载。为了确保适当的功率流,快速电流跟踪控制器是必要的。当前的跟踪系统CCVSI可以描述为一个一阶系统[11]-[14],如图5中所示。忽视switching-frequency-related谐波电压,逆变器建模作为电压源的依赖vinv = Vdc×vc, vc是正弦PWM控制信号的过程。

CCVSI当前集成电路的动力学方程可以写成:

分析系统从控制的角度来看,系统的状态选择为:x =集成电路,控制输入u = vc、扰动输入d =−vg (1 / L),状态函数f (x) =−(R / L)集成电路和输入函数b (x) = Vdc / L。因此,系统的状态方程可以写成:

然而,认为sine-pulse-width调制(变频调速)逆变器的模型很简单,它不考虑任何不可预测的非线性周期性扰动dup(其中一个可能的来源是逆变器驱动电路的消隐时间)。在实际电路中,这些非线性周期性干扰扮演重要的角色。在实际情况下,干扰项d(5)不仅由栅极电压扰动−vg (1 / L),但也不可预测的非线性扰动如下:

B。确定基于李雅普诺夫函数的控制律,保证电流控制

需要生成控制输入u (t), x = xd = ic追踪的参考价值。动态跟踪误差可以写成e = xd−x。它必须找到一个控制输入u (t),跟踪误差e (t)渐近收敛于零。李雅普诺夫直接法用于找出控制输入u (t)为这个特定的应用程序。

的李雅普诺夫函数如下:

根据李雅普诺夫函数的性质,V > 0的条件除了e = 0。因此,所选的V可以提到一个正定函数。区分(7)随着时间的推移,我们有

代入(5)到(8),所得到的方程变成了如下:

为了使控制输入你足够有效迫使e跟踪误差收敛到零[10]-[14],选择李雅普诺夫函数的一阶导数需要负定。目前情况下,第一次李雅普诺夫函数的导数是选择如下;

严格,λ是一个正数。(9)和(10)相比,可以编写如下的关系:

从这个方程的控制输入

C。估计的干扰项“d”为了便于控制行动

(11)所示的控制律可以分为两个部分如下:

方程(12)表明这个词u2 (t) = (−b (x) d)是依赖于栅极电压以及其他不可预知的周期性扰动项,如(6)所示。在这种情况下,d依赖vg的一部分可以通过感应微型智能电网"电压vg使用电压传感器,但不可预测的部分重复,如(6)所示,无法衡量,但可以估计如果合适的逆变器的非线性模型。不管这些,d不能正确估计由于相位滞后与逆变器的电压传感器和模型不准确。考虑这一点,干扰项的估计价值不同于实际值d,和控制输入可以改写如下:

插入识别j2ee(13)(8),方程可以修改如下:

因此,跟踪误差e收敛于一个值e1b如果≠d如下

在这种情况下,如果干扰d估计基于剩余使用SRC附加误差,然后,在稳定状态下,= d和e = 0的电流跟踪变得完美。因此,控制信号的第二部分(12)被表示为u2 (t) = uSRC (t)和第一控制信号的一部分被称为u1 (t) = uLf微型智能电网"条件(t),逆变器不可预测的非线性以及栅极电压不经常变化,因此SRC的慢动力学控制律uSRC (t)是由的快速动态反馈Lyapunovfunction——基于控制律uLf (t)在这种情况下,如果有一个突然的变化在当前参考,实际CCVSI当前ic遵循几乎没有观察到时间与Lyapunov-function-based控制器在SRC与缓慢的条件。

d参数不确定性对收敛的影响

认为干扰项(11)估计的“d”。然而,函数f (x)和b (x)依赖于系统参数如电感和电阻R参数L和R的扼流圈无法准确确定。由于系统参数估计的不确定性,系统参数的估计价值(x)和(x),而不是实际的f (x)和b (x)。在这种情况下,控制输入(11)所示修改如下:

代入(9)(16),所得到的方程可以发现如下:

方程(18)表明,λ需要足够大的数量来满足(18)在明显的范围内。如果是这样设计误差收敛于误差的绝对值eb,接近0,λ的值需要遵循的条件。

E。基于李雅普诺夫函数的控制律的设计

提出控制系统用于测试的参数有:直流环节电压直流= 100 V电网电压扰动的最大价值| Vg | max = 50×√2 = 70.7 V,扼流圈电感L = 6 mh,电阻R = 1Ω,电感和电阻的不确定性在每种情况下被认为是10%。简洁的设计,跟踪电流的峰值被认为是ic | | = 6,峰值和最大变化率出现在参考电流被认为是峰值电流的乘积| ic |以最大峰值频率分量在当前ωes参考。在这种情况下,ωes = 1 kHz。这种情况进一步保证把一个平滑滤波器的截止频率1 kHz的反馈路径。考虑这些条件,D的最大值(。)((17)所示)可以计算如下:

考虑绝对误差界eb = 0.01和使用(19),控制器参数是发现如下:

F。基于李雅普诺夫的控制系统的实现

变频调速开关频率作为fs = 10 kHz。第一次导数项ufb取代了其落后的近似规则。考虑到(4)、(5)和(13),Lyapunov-function-based控制律的PWM(控制输入)k采样时刻可以写成:

在t = 1 / fsample的采样时间控制系统。参考当前计算器实现的框图图3所示的电流控制器是紧随其后。控制器的输出是由饱和块夹在实际实验。这总是确保线性变频调速范围的操作过程。

的控制策略实现的结果

基于李雅普诺夫函数控制策略是为了实现控制单相并联变换器,通过有功功率和无功功率的微型智能电网"可以控制。

答:电源电路用于仿真的细节

该控制器是通过广泛的测试样机进行验证。原型是由一个微型智能电网"电压Vg = 50 Vrms和直流环节电压水平CCVSI Vdc = 100 V。负载是电阻,电容式组装。在这个控制拓扑结构,单个并联逆变器不仅是控制活动和从电网无功功率流动,而且补偿非线性电流的负载从电网终端。因此,逆变器电流由正弦电源电流和逆非线性负载电流。非线性负载电流有实质性的di / dt由于电容在直流端终止整流器的负载。照顾大幅电压降CCVSI扼流圈,直流环节电压超过所需的值。这个较高的直流环节电压还确保提出更好的瞬态电流控制器的逆变器PWM现象。

电源电路的参数表中给出。1。在指定的栅极电压水平(50 Vrms),加载了有功功率PL = 35 W与未知的无功和谐波的权力。

通常SPWM技术的使用是为了给脉冲开关设备。在电源电路单相全桥逆变器使用,因此4使用IGBT。对相同替代IGBT控制脉冲,因此,逆变器生成的输出连接到微型智能电网"电压Vg。图7的控制策略进行了讨论。电源电路中被认为是实现仿真的目的。后的模拟电路实现的基于李雅普诺夫函数的电流控制器Fig.8所示。

该控制器是通过广泛的测试样机进行验证。的原型是由微电网电压Vg = 50 V rms和直流环节的电压水平CCVSI Vdc = 100 V。基于李雅普诺夫函数控制器输出(Ulf) Fig.9描述了。SPWM代表正弦脉冲宽度调制。变频调速需要两个信号。李雅普诺夫输出(Ulf)是第一个信号和其他信号是三角波载波信号。这两个信号werecompared通过使用关系操作符块,正弦波的较小的比会产生三角波意味着门信号。

起初活跃和无功功率命令给定网格是pg = 0 W &路上= 0 var。从这一点来看,我们可以揭示栅极电流,搞笑= 0和负载电流是由CCVSI当前集成电路。实验结果是逆变器电压,逆变器电流、负载电流,栅极电流栅极电压,当权力命令pg = 0 &路上= 0 Fig.10所示。活跃和从电网无功功率流电流THD Fig.11所示。这是获得权力命令时pg var = 10 w &路上= 0。

控制系统进一步测试通过改变电网电力命令pg = 30 W &路上= 0 var。逆变器电压,逆变器电流、负载电流,栅极电流,栅极电压高于电网电力命令Fig.12所示。该控制器控制CCVSI当前ic.即栅极电流ig成为正弦振幅峰值为0.82 A和rms ig = 0.6。电网电流与电网电压同相的。逆变器电流从负载电流变化时,有功功率命令(Pg)网格变化从0到30。

结论

一个新的并联逆变器的电流控制策略与微型智能电网"。当前参考计算器使用“p q”理论代替传统的领先一步积分器压块的引用防渗墙估计更快。拟议中的Lyapunov-function-based非线性控制是简单的实现以及提供性能优越等传统控制器在ro-tating帧PI控制器。控制律也简单的实现建立在数字领域其他旋转框架控制器。实验结果表明,该控制器与“p q”当前计算器能够控制有源和无功功率流的微型智能电网"解耦的方式以及控制栅极电流的近似。这个功率控制属性促进可再生能源的有效使用,在一个微型智能电网"。

表乍一看

表1

数据乍一看


图1	图2	图3	图4

图5	图6	图7	图8

图9	图10	图11	图12

引用

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