2018 Elektronik Teknoloji Uygulaması Sayı 11
LCL filtreli tek fazlı H6 tipi şebekeye bağlı inverterin tasarımı ve kontrolü
0 Önsöz
Yeni enerji endüstrisinin ve akıllı mikro şebekelerin sürekli gelişmesiyle birlikte, güç üretiminin ve şebeke bağlantısının çekirdeği olan inverter, giderek daha fazla dikkat çekmiştir.İnvertör çıkış gücünün kalitesi nasıl sağlanır ve şebeke akımının toplam harmonik distorsiyonu nasıl azaltılır (Toplam Harmonik Bozulma) Harmonic Distortion (THD), yerli ve yabancı bilim adamlarından da büyük ilgi gördü.
İnvertör seçiminde, H6 topoloji invertörü, geleneksel H4 köprü invertörüne kıyasla iki tam kontrollü güç tüpü ve iki yüksek performanslı diyot ekleyerek, serbest devinim fazı sırasında zayıf performans gösteren gövde diyotunu değiştirir. Bundan sonra, sistem daha yüksek verime sahiptir.Aynı zamanda, şebeke ve DC akü paneli, bir izolasyon transformatörü olmadan serbest devinim aşamasında ayrılır ve H4 topolojisine benzer bir tek kutuplu modülasyon çıkış voltajı etkisi elde ederken ortak mod kaçak akımını etkin bir şekilde bastırabilir. Çeşitli yüksek güçlü uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Geleneksel H6 topoloji inverterleri çoğunlukla P (orantılı) kontrolörleri veya PI (orantılı integral) kontrolörleri kullanır.Basit P kontrolörler etkili değildir ve sistemin hızlı yanıt gereksinimlerini karşılayamaz; AC sinyal izleme açısından PI kontrolörleri Anti-parazit yeteneği zayıftır ve büyük bir sabit durum hatası vardır PR (Orantılı Rezonans) kontrolörü, geleneksel PI kontrolörü tarafından ortadan kaldırılamayan statik hatayı ve şebeke voltajı tarafından parazitlenme kusurunu çözebilmesine rağmen, dezavantajı frekansın uyarlanabilir olmamasıdır. Şebeke frekansında bir sapma olduğunda daha büyük harmonik girişim olacaktır.
Yüksek frekanslı anahtarlama harmoniklerinin elektrik şebekesinin kalitesi üzerindeki etkisini ortadan kaldırmak için, geleneksel şebekeye bağlı invertörler, güç şebekesine bağlanmak için genellikle L-şekilli filtreler kullanır.L-şekilli filtreler, artan endüktans voltaj düşüşüne ve kaybına yol açan büyük bir endüktans değeri gerektirir. Ve maliyet artar, mevcut iç döngünün tepki hızı da bir dereceye kadar etkilenir ve daha yüksek güçlü yerlerde, geleneksel L filtresi artık gereksinimleri karşılayamaz. LCL filtresinin yüksek empedans özelliklerini yüksek frekans bileşenlerine inceledikten sonra, literatür, üçüncü dereceden bir LCL filtresinin L tipi filtrenin yerini alabileceğini önermektedir.Daha küçük bir endüktans değeri seçmek, yüksek frekanslı harmonik akımları büyük ölçüde zayıflatabilir ve Tek bir indüktörden daha iyi bir filtreleme etkisine sahiptir. Bununla birlikte, LCL filtre, sönümsüz üçüncü dereceden bir sistemdir ve rezonans duyarlılığı sistemin kararsız olmasına neden olacaktır.Bu bakımdan literatür, filtre kondansatörüne seri olarak bir direnç bağlamıştır.Sistem sönümlemesindeki artış, sistem kararlılığı için faydalı olan rezonans yükselmesini zayıflatmaktadır. Ancak yeni kayıplara neden oldu. Literatürde ayrık kondansatör yöntemi önerilmektedir, yani filtre kondansatörü iki kısma bölünür ve iki akım ağırlıklandırılır ve inverter tarafından kontrol sinyali çıkışı olarak ortalama değer alınır.Avantajı, sistemin sırayla azaltılabilmesi, ancak kompanzasyon kontrolünün gerekli olmasıdır. Dolaylı akım kontrolü zayıf dinamik performansa sahiptir. Kabul edilen literatür ve inverter topolojisinin tüm sıradan H4 köprü invertörleri olduğunu ve tek fazlı H6 topolojisine sahip şebekeye bağlı inverterlerde LCL filtrelerinin kullanımı hakkında daha az araştırma yapıldığını belirtmek gerekir.
Yukarıdaki sorunlara yanıt olarak, bu makale önce LCL filtreli tek fazlı H6 şebekeye bağlı eviricinin topolojisini analiz eder ve filtre parametrelerini tasarlar; ardından şebekeye bağlı akım dış döngüsünün ve kapasitör akımı iç döngüsünün yarı-PR kontrol stratejisini araştırır. Sistemin kararlılığı üzerindeki etki, nihayet Simulink platformunun simülasyon sonuçları aracılığıyla önerilen kontrol stratejisinin rasyonelliğini doğruladı.
1 Şebekeye bağlı inverter sistem tasarımı
1.1 H6 şebekeye bağlı inverter topolojisi
LCL filtreli (H6LCL) tek fazlı H6 tipi şebeke bağlantılı invertörün topolojisi Şekil 1'de gösterilmektedir. Bunlar arasında, E DC giriş voltajıdır; S1 ~ S6 IGBT'lerdir; D1 ve D2 serbest devinimli diyotlardır; L1, L2 ve C, LCL filtresini oluşturur (filtre endüktansının ve kapasitörün parazitik direncini göz ardı ederek); i1 invertör tarafı indüktör akımıdır ; Ic, filtre kondansatörü C'den geçen akımdır; i2, şebekeye bağlı indüktör akımı; uc, filtre kondansatörünün C terminal voltajıdır; ug, şebeke voltajıdır.
H6LCL sistemi, Şekil 2'de gösterildiği gibi karışık tek kutuplu modülasyon yöntemini benimser. S1 ~ S4 yüksek frekanslı anahtarlama durumunda çalışır ve S5 ve S6, güç frekansı anahtarlama durumunda çalışır. S1 ve S4'ün PWM sürücü sinyalleri aynıdır ve S2 ve S3'ün PWM sürücü sinyalleri aynıdır ve iki sürücü sinyali periyotta tamamlayıcıdır. S5 ve D2, S6 ve D1'in eviricinin serbest dönen iki kanalı olduğu görülebilir.İnverter serbest döndüğünde, sürücünün AC tarafı DC akü panelinden ayrılır.Hızlı düzelen diyot, düşük performanslı gövdenin yerine kullanılır. Diyottan sonra, diyotun ters geri kazanım kaybı etkili bir şekilde azaltılabilir, böylece genel verimlilik büyük ölçüde iyileştirilir.
1.2 LCL filtre tasarımı
İlk olarak, L tipi filtrenin ve LCL tipi filtrenin kararlılığını analiz edin.Şekil 3'teki Bode grafiğinden, LCL tipi filtrenin düşük frekans bandındaki L tipi filtre ile aynı etkiye sahip olduğu, LCL filtresinin ise düşük frekans kazancını koruduğu görülebilir. Zayıflatırken, yüksek harmonikleri de etkili bir şekilde bastırabilir. Ancak LCL filtre endüktansı ve kapasitans parametrelerinin seçimi, sistemin dinamik özelliklerini belirler: L ne kadar küçükse, güç kaybı o kadar düşük, akım izleme o kadar hızlı; L ne kadar büyükse, filtreleme etkisi o kadar iyi olur. Bu nedenle, indüktörü seçerken, sistem parametreleriyle birlikte çeşitli faktörleri göz önünde bulundurmak ve seçmek için bir uzlaşma yöntemi kullanmak gerekir Tablo 1, bu makalede tasarlanan invertörün parametrelerini sağlar.
Genel olarak, çıkış akımı dalgalanmasının boyutu, indüktör L'nin minimum değerinin seçimini belirler. Genellikle, L indüktöründeki dalgalanma değeri olarak nominal akımın% 15 ~% 25'i seçilir ve bu makalede hesaplama için% 15'i seçilir. Şekil 3'te, düşük frekans bandında (köşe frekansının altında) LCL filtresinin L filtresiyle aynı filtreleme etkisine sahip olduğu görülebilir, bu nedenle LCL filtresindeki L1 + L2 değerine yaklaşmak için tek bir indüktör L kullanılabilir.
Bu çalışmada L aslında 2,4 mH, yani L1 + L22,4 mH'dir.Farklı belgeler L1 / L2 için farklı değerlere sahiptir.H6LCL sisteminde hesaplama için L1 = 2 mH ve L2 = 0,4 mH seçilmiştir.
Kapasitans parametresinin boyutu, rezonans frekansı ve reaktif güç ile ilgilidir. Reaktif güç, güç cihazlarından ve indüktörlerden geçen akım çok büyük olamaz, bu da filtre kapasitörünün değerinin büyük olamayacağını belirler, aksi takdirde sistemin genel verimliliği düşer; ve filtre kapasitörünün değeri nispeten küçüktür, aynı filtreleme etkisi altında gereklidir. İndüktörün değeri ne kadar büyük olursa, indüktörün hacmi o kadar büyük olur. Gerçek mühendislikte, kapasitans parametrelerinin sistemin güç kapasitesi üzerindeki etkisi genellikle% 10'dan azdır.Bu makalede, hesaplama için% 5 kullanılmıştır ve kapasitans değerinin değer aralığı şöyledir:
Parametreleri getirin ve C16.44 F'yi alın, bu makale C = 14 F alır.
2 Akım çift kapalı döngü yarı PR kontrolü
Şekil 4, H6LCL sisteminin çift kapalı döngü kontrol blok diyagramıdır.Kontrol fikri şudur: şebekeye bağlı akım dış döngüsünde, PLL faz kilitli döngü tarafından elde edilen referans akım iref, şebekeye bağlı akım i2 ile karşılaştırılır ve elde edilen hata sinyali yarı-PR kontrolöründen geçirilir. İşlemden sonra, iç döngünün kapasitör akımından çıkarılır ve daha sonra elde edilen sinyal dalga formu orantılı olarak ayarlanır ve SPWM sinyal üretecine gönderilir.Son olarak, şebekeye bağlı kontrolü gerçekleştirmek için H6 topolojisine bağlı eviricinin güç tüpü üzerinde hareket etmek üzere SPWM dalgası oluşturulur. .
2.1 Quasi PR stratejisi
Geleneksel şebekeye bağlı invertörde, sabit durum hatası ve zayıf anti-parazit yeteneği kusurları, PI kontrolörünün uygulamasını sınırlandırırken, PR kontrolörü, invertör çıkışını kontrol etme sürecinde kayıpsız bir rezonans bağlantısı ekler. Rezonans frekansı, Kazancı sonsuzdur ve faz 0'a eşittir, bu nedenle sistemin kararlı durum hatası ortadan kaldırılabilir. Bu H6LCL sisteminde, rezonans frekansı 50 Hz'dir (şebeke voltaj frekansına eşittir) ve PR kontrolünün aktarım işlevi:
PR kontrolörünün Bode diyagramı Şekil 5'te gösterildiği gibidir. PR kontrolörünün kullanımının şebekenin temel frekansında, özellikle 50 Hz (314 rad / s) temel frekansında büyük bir kazanca sahip olacağı şekilden açıkça görülebilir, kazanç sonsuz olarak kabul edilebilir. Şebeke frekansı bu ideal noktada tutulursa, PR kontrolörü harmonikleri etkili bir şekilde bastırabilir ve nispeten yüksek kaliteli şebekeye bağlı bir akım elde edebilir. Bununla birlikte, normal şartlar altında, şebekenin frekansı yaklaşık ± 0.1 Hz sapacaktır ve frekans sapması, PR kontrolörünün harmonikleri bastırma yeteneğini büyük ölçüde azaltacaktır. Rezonans frekansında sistemin hassasiyetini azaltmak ve PR kontrol stratejisinin şebeke frekansı sapmasının neden olduğu harmonikleri baskılayamaması sorununu çözmek için bunun yerine yarı-PR kontrol stratejisi kullanılır ve transfer işlevi şu şekilde ifade edilebilir:
Formülde, orantılı parametre Kp = 0.5, rezonans parametresi KR = 10, temel rezonans frekansı 0 = 314 ve bant genişliği c = 3.14. Şekil 6'da gösterildiği gibi Bode grafiğini denklem (10) ile çizin.Şekil 5 ile karşılaştırıldığında, şebeke frekansı değiştiğinde PR kontrolörünün problemini etkin bir şekilde çözen yarı-PR kontrolü kullanıldığında sistemin bant genişliğinin rezonans noktasına yakın arttığı görülebilir. Harmonik parazit sorunu ortadan kaldırılamaz ve sistemin şebeke voltajı parazitlerine direnme yeteneği de artırılmıştır.
2.2 Mevcut çift kapalı döngü kontrol stratejisi
LCL filtresi iyi bir dinamik tepkiye ve L filtresine göre daha iyi harmonik bastırma performansına sahiptir.Ancak, üçüncü dereceden bir sistem olarak, LCL filtresinin daha düşük sistem sönümlemesi, Şekil 3'te gösterilen rezonans artışının doğal frekansta görünmesine neden olacaktır. Kontrolün kararlılığını iyileştirmek için, sistem salınımı bastırılmalıdır. LCL filtresinin rezonansı, alt sistem sönümlemesinden kaynaklanmaktadır.Bu nedenle, şebekeye bağlı akım dış döngüsü ve kapasitif akım iç döngüsünün ikili akım geri besleme stratejisi tanıtılmıştır.Kapalı döngü kontrol blok şeması, Şekil 7'de gösterildiği gibi Şekil 4 ile birlikte elde edilebilir. (A) 'da gösterildiği gibi, kapalı döngü kontrol sisteminin transfer fonksiyonunu daha da elde etmek için, Şekil 7 (b)' yi elde etmek için Şekil 7 (a) 'da bir dizi eşdeğer dönüşüm ve basitleştirme gerçekleştirilir.
Şekil 7 (b) 'den, ikili akım geri besleme kontrolünün transfer fonksiyonu denklem (11)' de gösterildiği gibi elde edilebilir:
Formülde, KPWM, H6 invertör köprüsünün eşdeğer orantılı bağıdır ve K, ileri kanalın orantılı katsayısıdır.Literatürdeki araştırmaya göre, KPWM = 40 ve K = 0.86. Denklemlerden (10) ve (11) 'den, çift kapalı döngü kontrolünün Bode diyagramı Şekil 8'de gösterildiği gibi çizilebilir. Şekil 3'e kıyasla, şebekeye bağlı akım ve kapasitör akımının çift kapalı döngü kontrol şemasının etkili bir şekilde baskılayabildiği görülebilir. Rezonans, LCL'nin doğal frekansında yükselir ve yüksek frekans bandında daha iyi bir harmonik bastırma etkisine sahiptir.
3 Simülasyon doğrulama
Yukarıdaki analiz tasarımının ve kontrol stratejisinin doğruluğunu doğrulamak için Simulink platformunda bir simülasyon modeli oluşturuldu ve şebekeye bağlı referans akım genliği 25,4 A'ya ayarlandı ve diğer devre parametreleri teorik analizde açıklandığı gibiydi. Elde edilen simülasyon sonuçları Şekil 9 ve Şekil 10'da gösterilmektedir. Şekil 9 (a), şebekeye bağlı akım dalga formu (10 kat büyütülmüş) ve şebeke voltaj dalga formudur, Şekil 9 (b) şebekeye bağlı akım ve referans akım dalga formudur ve Şekil 10 şebekeye bağlı akımın harmonik bozulma oranıdır.
Şekil 9 (a) ve Şekil 9 (b) 'den, H6 topoloji invertörünün, şebeke akımının statik hata takibini sağlamak için LCL filtre akımı çift kapalı döngü yarı-PR kontrol stratejisini benimsediği ve sistemin daha kararlı olduğu; aynı zamanda görülebilir. Şebeke gerilimi ve şebeke akımı hemen hemen aynı frekans ve fazdadır, bu nedenle inverter şebekeye bağlandığında birim güç faktörüne yakındır; şebeke akımının ilk 5 çevriminin FFT analizi, Şekil 10'da gösterilen sonucu alır, şebeke akımının THD'sinin sadece olduğu görülebilir % 1,06, LCL filtreli tek fazlı H6 topolojisine sahip şebekeye bağlı invertörün daha iyi filtreleme yeteneğine sahip olduğunu ve yüksek frekanslı harmonikleri etkili bir şekilde bastırabildiğini gösterir.
4. Sonuç
LCL filtresiyle birleştirilmiş yüksek verimli tek fazlı H6 topoloji invertörü, geleneksel invertörlerden daha yüksek kaliteli elektrik enerjisi elde edebilir. Üçüncü dereceden LCL filtresinin salınımının sistem kararsızlığına neden olacağı sorununu hedefleyen bu makale, bir aktif sönümleme kontrol şemasını, yani şebekeye bağlı akım dış döngüsünün ve kapasitif akım iç döngüsünün çift akım geri besleme yönteminin tanıtılmasını benimser. Quasi-PR kontrol stratejisi dış döngüde tanıtıldı. 4 kW inverterin tasarım ve simülasyon doğrulaması, kontrol stratejisinin doğal frekanstaki rezonansı etkili bir şekilde bastırabildiğini, sistemin statik hata olmadan izlenmesini gerçekleştirebileceğini ve sistemin kararlılığını iyileştirebileceğini kanıtlıyor. Simülasyon sonuçları ayrıca, bu stratejinin daha küçük bir filtre endüktans değeri ile yüksek sıralı harmonikleri filtreleyebileceğini, sistem maliyetini azaltabileceğini ve şebekeye bağlı akımın harmonik bozulma oranının sadece% 1,06 olduğunu ve şebekeye bağlı kalitenin daha da iyileştirildiğini göstermektedir. geliştirmek.
Referanslar
Wang Yinsong, Wang Shuyuan, Hairi PR regülatörüne dayalı şebekeye bağlı inverter için harmonik bastırma stratejisi Güç Kaynağı Teknolojisi, 2016, 40 (1): 184-188.
Wang Yichao, Luo An, Jin Guobin ve diğerleri. Tek fazlı LCL şebekeye bağlı invertörler için yeni bir tür harmonik sönümleme stratejisi.Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2014 (33): 5803-5810.
Ji Health Care, Wang Jianhua, Zhao Jianfeng.Yüksek verimli H6 yapılı, izole edilmemiş tek fazlı fotovoltaik şebekeye bağlı inverter. Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2012, 32 (18): 9-15.
Wang Dong, Xue Shilong, Zong Yanling Tek fazlı LCL şebekeye bağlı invertörün çift akım kapalı döngü kontrolüne ilişkin simülasyon araştırması İletişim Güç Teknolojisi, 2012, 29 (2): 5-7.
LINDGREN M, SVENSSON J. Aktif filtrelemeye bir LCL filtre uygulaması aracılığıyla şebekeye bağlanan bir voltaj kaynağı dönüştürücünün kontrolü, IEEE PESC, 1998: 18-21.
Sun Wei, Wu Xiaojie, Dai Peng ve diğerleri.LCL filtresine dayalı voltaj kaynağı PWM doğrultucu kontrol stratejilerine genel bakış. Journal of Electrotechnical Technology, 2008, 23 (1): 90-96.
Zhuang Chao, Ye Yongqiang, Zhao Qiangsong ve diğerleri.Ölmüş kapasitör yöntemine dayalı LCL şebekeye bağlı inverter kontrol stratejisinin analizi ve iyileştirilmesi. Journal of Electrotechnical Technology, 2015 (16): 85-93.
WANG T C Y, YE Z H, SINHA G, et al.Şebekeye bağlı üç fazlı bir inverter için çıkış filtresi tasarımı. 34. Yıllık IEEE Güç Elektroniği Uzmanları Konferansı, 2003: 779-784.
Zhang Tao. Tek fazlı LCL filtresinin şebekeye bağlı inverter kontrolü üzerine araştırma Qinhuangdao: Yanshan Üniversitesi, 2010.
Li Ming, Yi Lingzhi, Peng Hanmei, vd.Fotovoltaik şebekeye bağlı inverterlerin üç döngülü kontrol stratejisi üzerine araştırma.Güç Sistemi Koruma ve Kontrolü, 2010, 38 (19): 46-50.
yazar bilgileri:
Lin Chunxu 1, 2, Wang Juan 2, Zhao Wanming 1, 2
(1. Elektrik Mühendisliği Okulu, Güneybatı Jiaotong Üniversitesi, Chengdu 610031, Sichuan; 2. Elektrik Bilgileri Okulu, Güneybatı Petrol Üniversitesi, Chengdu 610500, Sichuan)
