Tam geçişli filtreye dayalı orantılı karmaşık integral kontrol analizi
Li Fansen 1, Cao Taiqiang 1, 2, Chen Xiandong 1, Xia Yucheng 3, Lin Yuting 1
(1. Elektrik ve Elektronik Bilgi Okulu, Xihua Üniversitesi, Chengdu 610039, Sichuan;
2. Eğitim Bakanlığı (Xihua Üniversitesi) Ana Akışkan ve Güç Makineleri Laboratuvarı, Chengdu 610039, Sichuan; 3. Glasgow College of Electronic Science and Technology University, Chengdu 611731, Sichuan)
Geleneksel orantılı integral kontrol tek fazlı şebekeye bağlı invertör, sabit durum genliği ve faz hatası problemlerine sahiptir ve harmonik bileşenler nispeten büyüktür. Buna dayanarak, sıfır kararlı durum hatası ve düşük harmonik enjeksiyon özelliklerine sahip bir orantılı karmaşık integral (PCI) kontrol yöntemi benimsenmiştir.Karmaşık bağlantı, tüm geçişli bir filtre ile gerçekleştirilir.Tek fazlı şebekeye bağlı bir inverter sisteminde, sanal bir üç fazlı inşa etmeye gerek yoktur. Koordinat sistemi veya dq koordinat sistemi, kontrol sistemi yapısını basitleştirir. Simulink, aynı koşullar altında PI ve PCI kontrolünü simüle etmek ve analiz etmek için kullanılır.PI kontrollü tek fazlı inverterin çıkış akımı THD değeri% 0,83 iken, PCI kontrolün THD değeri% 0,46'dır.Çoklu PCI kontrolleri eklenirse, % 0.25'e düşürün. Simülasyon sonuçları, PCI kontrolü altındaki tek fazlı şebekeye bağlı eviricinin iyi bir sabit durum performansına ve şebekeye bağlı akım harmoniklerinin bastırılmasına sahip olduğunu doğrulamaktadır.
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TM71
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.03.032
Çince alıntı biçimi: Li Fansen, Cao Taiqiang, Chen Xiandong, vb. Tüm geçişli filtreye dayalı orantılı karmaşık integral kontrol analizi.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (3): 127-131.
İngilizce alıntı biçimi: Li Fansen, Cao Taiqiang, Chen Xiandong, vd. Allpass filtresine dayalı orantılı karmaşık integral kontrolün analizi.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (3): 127-131.
0 Önsöz
Son yıllarda, fosil yakıt rezervleri gittikçe azaldıkça, enerji ve çevre sorunları giderek daha ciddi hale geldi ve yeni enerji hızla gelişti.Yeni enerji teknolojisinin temel parçası olarak, şebekeye bağlı invertörler sürekli olarak şebekeye bağlı akım kontrol stratejileri geliştirdiler.
Herkes tarafından geniş çapta incelenen ve benimsenen mevcut kontrol stratejileri şunlardır: histerezis kontrolü, kayan mod kontrolü, orantılı rezonans (PR) kontrolü, deadbeat kontrolü ve orantılı integral (PI) kontrolü. Histerezis kontrol yöntemi, kontrol sisteminin doğruluğunu azaltacak, sistemin kararlı durum hatasını artıracak ve sistem salınımını artıracaktır; kayan mod kontrolünün olağanüstü avantajı, harici parazitlere ve iç parametrelere karşı duyarsız olması ve güçlü sağlamlığa sahip olmasıdır, ancak ideal bir kayma modudur. Gerçek invertör sisteminde gerçekleştirilmesi zordur ve örnekleme frekansı konusunda çok yüksek gereksinimleri vardır; orantılı rezonans kontrolü, statik olmayan kontrol amacına ulaşmak için hatasız, ancak orantılı belirli bir frekansı izleyebilir. Rezonans kontrolü ayrıklaştırmaya ihtiyaç duyar, bu nedenle yüksek hassasiyetli bir kontrolöre ihtiyaç duyar; Deadbeat kontrolü hızlı bir dinamik tepkiye sahiptir, belirli bir sinyali ideal koşullar altında izleyebilir ve düşük dalga şekli bozulmasına sahiptir, ancak çok yüksek matematiksel modelleme doğruluğu gerektirir. Ve sistemin kararlılığı ve parazit önleme yeteneği düşüktür; PI kontrol prensibi basit ve uygulaması kolaydır ve şu anda çoğu mühendislik uygulamalarında kullanılmaktadır.PI kontrolü, statik hata olmadan adım sinyallerini izleyebilir. Bununla birlikte, PI kontrolü, harmonik bastırma üzerinde çok iyi bir etki yapamaz. Hepimizin bildiği gibi, mikro şebekenin harmonikleri güç sistemine büyük zarar verebilir, bu nedenle mikro şebekenin harmonikleri için kontrol yöntemleri durmadan ortaya çıkmaktadır. Literatür, çıkış akımının periyodik bozulmasını bastırmak için tekrarlanan PI kontrolüne dayanan bir inverter kontrol stratejisi önermektedir; literatür, harmonikleri bastırmak için sanal akı bağlantısına dayalı bir vektör kontrol stratejisi önermektedir; literatür, pozitif ve negatif sıfır dizi bileşen ayrışmasına dayanan bir invertör kullanır Kontrolör kontrol stratejisi, pozitif sekans, negatif sekans ve sıfır sekans bileşenlerinin bağımsız kontrolünü gerçekleştirir; yukarıdaki metot, harmonikler üzerinde belirli bir bastırma etkisine sahip olmasına rağmen, dinamik etkisi zayıftır ve algoritma, uygulamasını büyük ölçüde sınırlandıran karmaşıktır. PI kontrolü temelinde, literatür, harmonik bastırmada iyi bir rol oynayabilen ve AC sabit durum hatasını sıfır yapan karmaşık sırada geliştirilmiş PI kontrolünü kullanır, ancak bu yöntem tek fazlı invertörlerde kullanılır. Şebekeye bağlanırken karmaşık bir koordinat sistemi oluşturmak gerekir. Bu makale, bir koordinat sisteminin sıkıcı yapısını etkin bir şekilde önleyen ve şebekeye bağlı tek fazlı invertörlerde kullanıldığında üstünlüğünü doğrulayan, dijital bir all-pass filtreye dayalı bir PCI kontrolü benimser.
1 Sistem modelleme
Şekil 1, LCL tek fazlı şebekeye bağlı inverterin ana devre topolojisini göstermektedir. Bu makale halihazırda kullanılan LCL filtresini benimser.L-tipi filtre ile karşılaştırıldığında, LCL-tipi filtrenin gerektirdiği toplam endüktans, aynı yüksek frekanslı harmonik bastırma etkisine ulaşıldığında L-tipi ve LC-tipi filtrelerinkinden daha küçüktür. Çok. Şekildeki DC gerilimi Ud, fotovoltaik hücreler, rüzgar enerjisi üretimi, yakıt hücreleri ve enerji depolama gibi dağıtılmış güç kaynaklarından elde edilebilir. Bu nedenle, makalede bahsedilen tek fazlı şebekeye bağlı invertör, çeşitli dağıtılmış güç kaynakları ve şebeke arasındaki arayüzde yaygın olarak kullanılabilir.
Şekil 2'de gösterildiği gibi, bu makale, şebekeye bağlı akımı, şebeke voltajıyla aynı frekansta ve fazda olacak şekilde kontrol etmek için şebekeye bağlı akım ve kapasitif akım ikili kapalı döngü kontrol stratejisini benimser. Şebekeye bağlı akımın ve kapasitif akımın ikili kapalı döngü kontrolü, dış döngü kontrol miktarı olarak şebekeye bağlı akımı ve iç döngü kontrol miktarı olarak kapasitif akımı kullanır Şebekeye bağlı akım dış döngü regülatörünün çıkışı, PWM izleme kontrol teknolojisi aracılığıyla anahtarlama cihazının açılıp kapanmasını kontrol etmek için kullanılır. . Şebekeye bağlı akım dış döngüsü PCI kontrolünü benimser ve kapasitif akım iç döngüsü, LCL çıkış filtresinin salınım özelliklerini ortadan kaldırmak ve sistemin kararlılığını artırmak için sönümlemeyi artırmak için orantılı ayarlamayı benimser.
2 PCI kontrolü
Geleneksel PI kontrolünde, iç döngü PI kontrolörünün transfer fonksiyonu:
Doğru akımın, doğru akımın sıfır sabit durum hata kontrolünü gerçekleştirebilen sonsuz kazancı vardır. Benzer şekilde, belirli bir AC frekansında 0, denetleyicinin kazancı sonlu bir kazançtır, bu nedenle bu zamandaki kazanç sınırlıdır, sistem çıkış akımı referans akımında bir hataya sahip olacaktır, yani sistem kararlı durum hatası da çıkış akımına neden olur. Şebeke voltajından etkilenir. PCI denetleyicisi için, AC açısal frekansı 0 olduğunda denetleyicinin kazancı:
Buradaki kazanç sonsuzdur, bu nedenle PCI kontrolü sabit durum hatası üretmeyecektir ve çıkış akımı referans akımla iyi bir şekilde tutarlı olabilir ve çıkış akımı güç şebekesi tarafından çok az engellenir.
2.1 Geleneksel tek fazlı sanal koordinat sisteminin PCI kontrolü
Geleneksel sanal koordinat sistemi altında orantılı karmaşık integral kontrol nispeten karmaşıktır.Kontrol ilkesi diyagramı Şekil 3'te gösterilmiştir. Genel fikir, üç fazlı bir invertörü simüle etmek için şebekeye bağlı akım sinyalinden sanal bir üç fazlı veya iki fazlı koordinat sistemi değişkeninin oluşturulmasıdır. İşlemci sistemi PCI kontrolü gerçekleştirir. Üç fazlı çevirici sistemle arasındaki fark, buradaki sinyalin çıkış olarak yalnızca bir faz almasıdır.
Şekil 3 (a) 'nın ilkesi, gerekli sanal üç fazlı koordinat sistemini oluşturmak için hata sinyalini 120 ° ve 240 ° geciktirmek ve ardından üzerinde üç fazlı PCI kontrolü gerçekleştirmektir.Bu yöntemin maksimum gecikmesi 240 °' ye kadardır. Gecikmeyi azaltmak için, bazı bilim adamları 120 ° ve 90 ° maksimum gecikmeyle sanal koordinat oluşturma yöntemini inceledi.
Şekil 3 (b) 'de, X voltajı veya akımı temsil eder.Denklem (5), denklem (6)' nın iki ortogonal sinüzoidal sinyaline ve ardından keyfi tek fazlı değişken genlik ve faz sinyalini içeren denklem (7) olarak ayrıştırılır. ), tüm kontrol yapısı üç bölümden oluşur: alçak geçiren filtre, sanal koordinat sistemi ve inverter. İnvertör köprüsü, sanal dq koordinatını oluşturmak için gereken tek fazlı sinyali (voltaj veya akım) çıkarır, anahtarlama frekansındaki harmonikleri ortadan kaldırmak için alçak geçiren filtreden geçer ve ardından sanal koordinat sistemini oluşturur. Bu yöntemin gecikmesi 45 °.
2.2 Tüm geçiş filtresinin PCI kontrolü
Alçak geçiren, yüksek geçiren ve bant geçiren filtrelerden farkı, sinyal tüm geçiş filtresinden geçtikten sonra, tüm frekans bandındaki genlik sinyalinin değişmeden kalması, faz frekansı özelliklerinin ise gerekli sinyali elde etmek için karakteristik parametrelerin ihtiyaçlarına göre ayarlanabilmesidir. .
Yukarıdaki içerikten, geleneksel PCI kontrolünün, kontrolün "-j" anahtar bağlantısını gerçekleştirmek için sanal bir koordinat sistemi oluşturduğu görülebilir. Bu makale literatürde önerilen yöntemi benimser, yani birinci dereceden all-pass filtresi "-j" yi gerçekleştirmek için kontrol bağlantısında kullanılır. Buna dayanarak, bu makale, tek fazlı şebekeye bağlı invertörlerin fiili uygulamasındaki harmonik sorunu için orantılı çoklu tekrarlı integral kontrolü daha ayrıntılı analiz etmektedir.
MATLAB / Simulink'te simülasyonla elde edilen birinci dereceden tüm geçiş filtresinin genlik frekans özellikleri Şekil 4'te gösterilmektedir.
Açıkçası, 50 Hz'de PCI kontrolü "-j" gereksinimi karşılanır. Daha sonra bu PCI kontrolünün prensibi Şekil 5'te gösterilmektedir.
Şekil 6'da gösterildiği gibi yeni bir PCI kontrol şematik diyagramı oluşturmak için şematik diyagramdaki "j" yi formül (8) ile değiştirin.
Literatür, deneyde şebekeye bağlı harmonik akımların bulunduğundan bahseder, bu nedenle bu makale, akımda bulunabilecek şebekeye bağlı harmonikleri ortadan kaldırmak için orantılı çoklu tekrarlı integral kontrolü analiz eder. Yerdeki inverter çıkış akımının harmonik içeriğini azaltmak için 3. harmoniğin ve 5. harmoniğin PCI kontrolünü artırın ve orantılı çoklu tekrar sayısı integral transfer işlevi şu şekilde elde edilebilir:
Kapalı döngü transfer fonksiyonu Şekil 2'den şu şekilde elde edilebilir:
Yalnızca kp'yi düşünün. Yukarıdaki formüle göre, kp = 0.1 ve ki = 500. Benzer şekilde ki3 = ki5 = 500'ü seçin. Kapalı döngü Bode diyagramı Şekil 7'de gösterilmektedir.
Bode diyagramından sistemin temel dalga, üçüncü harmonik ve beşinci harmonikteki kazancının sıfır olduğu ve fazın sıfır olduğu, yani çıkış akımının verilen akımı bu frekanslarda fark olmaksızın izleyebildiği görülmektedir.
3 Simülasyon doğrulama
PCI kontrolünün etkililiğini ve üstünlüğünü doğrulamak için, MATLAB / Simulink ortamında 3 kW tek fazlı şebekeye bağlı bir inverter simüle edilmiş ve doğrulanmıştır Parametreler Tablo 1'de gösterilmiştir.
Referans literatür simülasyonu ve deneyini geleneksel tek fazlı sanal koordinat sisteminin PCI kontrolüne taşımıştır, bu makale sadece simülasyon doğrulama analizini tüm geçiş filtresine dayalı PCI kontrolüne taşır. Sonuçlar Şekil 8-10'da gösterilmektedir.
Şekil 9, birinci dereceden bir tüm geçiş filtresi kullanan temel PCI kontrol simülasyonunu ve THD'yi göstermektedir Şekil 8, Şekil 9'un özel bir durumu olarak kabul edilebilir. 0 = 0 olduğunda, bu sefer PCI kontrolü PI kontrolüne eşdeğerdir. Şu anda, PI kontrolünün belirli bir sabit durum genliği ve faz hatası vardır.Simülasyon sonuçlarından PCI kontrolünün hızlı bir şekilde kararlı duruma girebileceğini ve şebekeye bağlı akımın sabit durum hatasının sıfır olduğunu görmek zor değildir.Toplam harmonik bozulma (PI kontrolünün THD'si) )% 0,83 ile daha büyüktür; PCI kontrollü THD% 0,46'dır. Bununla birlikte, tek bir PCI kontrolünün 3. ve 5. harmoniklerinin içeriği nispeten büyüktür, bu da literatürde bahsedilen deneylerde şebeke bağlantılı harmonikler sorununa yol açar.Bu temelde, orantılı çoklu-tekrarlı integral kontrol şekil 10'u elde etmek için kullanılır. Simülasyon dalga biçimi, 3. harmonik ve 5. harmonik etkili bir şekilde bastırılır.
4. Sonuç
Geleneksel orantılı karmaşık integral kontrolün temel teorisinden başlayarak, bu makale, tüm geçiş filtresine dayalı PCI kontrolünden alıntı yapar, teorik olarak onu türetir ve ilgili transfer fonksiyonunun Bode diyagramını analiz eder ve tek fazlı bir inverter şebekeye bağlı sistem tasarlar. Simülasyon sonuçları, düşük harmonik enjeksiyon özelliklerini ve kontrol sisteminin sıfır sabit durum hatasını doğrular.Tüm geçişli filtreye dayalı PCI tek fazlı şebekeye bağlı invertör sistemi, iyi bir sabit durum performansına, parazit önleme yeteneğine ve şebekeye bağlı akıma karşı dirence sahiptir. Harmoniklerin bastırılması. Harmonikler bastırılırken, karmaşık kontrol kısmı, karşılık gelen harmonik bastırma etkisini elde etmek için gerektiği gibi uygun şekilde artırılabilir veya azaltılabilir. Bu makaledeki kontrol yöntemi geniş bir uygulanabilirlik yelpazesine sahiptir, çeşitli diğer yeni enerji şebekesine bağlı arayüzlere uygulanabilir ve hem üç fazlı sistemlerde hem de tek fazlı sistemlerde çok iyi bir etki oynayabilir. Orantısal entegre kontrole dayalı tek fazlı inverter kontrolü, daha sonraki çalışmalarda iyileştirilecek olan daha fazla deneysel doğrulamaya ihtiyaç duyar.
Referanslar
Liu Jizhen. Büyük ölçekli yeni enerji gücünün güvenli ve verimli kullanımı için temel konular Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2013, 33 (16): 1-8.
Zhang Xing, Shao Zhangping, Wang Fusheng, et al.
Nian Heng, Zeng Rong Dağıtılmış üretim sisteminin şebekeden bağımsız çalışma modunda çıkış gücü kalite kontrol teknolojisi Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2013, 31 (12): 1-8.
Gu Herong, Yang Zilong, Wu Weiyang.Şebekeye bağlı inverter çıkış akımının histerezis izleme kontrol teknolojisi üzerine araştırma.Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2006, 26 (9): 108-112.
Quan Yu, Nian Heng Dengesiz ve harmonik şebekelerde şebekeye bağlı invertörler için rezonant kayan mod kontrol teknolojisi.Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2014, 34 (9): 1345-1352.
Qin Weikun, Hu Cungang.Geliştirilmiş PR yönetmeliğine dayalı tek fazlı LCL çift kapalı döngü akım kontrol şebekesine bağlı inverter üzerine araştırma.Elektrik Mühendisliği Dergisi, 2015, 10 (8): 40-44.
Huang Tianfu, Shi Xinchun, Wei Debing, vd.Güç Sistem Koruması ve Kontrolü, 2012, 40 (11): 36-41. Üç fazlı fotovoltaik şebekeye bağlı invertör üzerine araştırma.
Liu Deng, Liu Jun, Tao Zhongzheng, ve diğerleri Orantılı integral ve orantılı rezonans ile tek fazlı inverter kontrolünün araştırılması ve simülasyonu.Elektrik Mühendisliği Dergisi, 2013, 10 (10): 64-68.
Zhang Xing, Wang Yangjun, Yu Changzhou ve diğerleri PI + tekrarlı kontrol kullanarak bağlantı mekanizmasını ve şebekeye bağlı invertörün bastırılmasını kontrol edin.Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2014, 34 (30): 5287-5295.
Li Qi, Chen Weirong, Liu Shukui, vd., Sanal akı bağlantısına dayalı proton değişim membran yakıt hücresinin şebekeye bağlı kontrol sistemi üzerine araştırma.Güç sistemi koruma ve kontrolü, 2013, 4 (12): 91-96.
Dong Lei. Orantılı karmaşık integral kontrole dayalı, şebekeye bağlı tek fazlı inverter üzerine araştırma.Yeni enerji güç üretim kontrol teknolojisi, 2012, 34 (2): 31-34.
Guo Xiaoqiang.Fotovoltaik şebekeye bağlı invertörler için genel orantılı karmaşık integral kontrol stratejisi.Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2015, 35 (13): 3393-3399.
