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單相逆變器的重復(fù)控制技術(shù) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030718198
- 條形碼：9787030718198 ; 978-7-03-071819-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
單相逆變器的重復(fù)控制技術(shù) 本書特色
重復(fù)控制是基于內(nèi)模原理的先進(jìn)控制技術(shù)，廣泛應(yīng)用逆變器系統(tǒng)中的基波跟蹤和各次諧波信號的抑制。
單相逆變器的重復(fù)控制技術(shù) 內(nèi)容簡介
本書系統(tǒng)闡述重復(fù)控制理論及逆變器控制技術(shù)。分析了重復(fù)控制基本原理與設(shè)計(jì)方法，包括周期諧波信號抑制特性分析、穩(wěn)定性分析、收斂性分析、非諧波次干擾分析、穩(wěn)態(tài)誤差分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析等基本性能和重復(fù)控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法；給出了逆變器系統(tǒng)建模方法，包括基于開關(guān)頻率處電壓-電流抑制比和諧振頻率兩個給定指標(biāo)條件下的LCL濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，和諧振頻率約束條件下LCL濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)；針對LCL濾波器的諧振峰影響系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，提出基于分裂電容法的無源阻尼方法和基于陷波器的有源阻尼方法；為提高重復(fù)控制器動態(tài)性能，提出了基于重復(fù)控制和比例控制的比例積分多諧振型復(fù)合重復(fù)控制器，給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和參數(shù)設(shè)計(jì)方法；低相位分辨率情況下，為提高重復(fù)控制器性能，提出基于FIR濾波器的分?jǐn)?shù)相位超前補(bǔ)償重復(fù)控制、基于采樣分離原理的分?jǐn)?shù)相位超前補(bǔ)償重復(fù)控制和優(yōu)化開關(guān)重復(fù)控制等策略；為了提高逆變器系統(tǒng)應(yīng)對電網(wǎng)頻率波動魯棒性，提出基于改進(jìn)重復(fù)控制器內(nèi)模濾波器的新型重復(fù)控制器、基于FIR分?jǐn)?shù)階延遲的頻率自適應(yīng)重復(fù)控制和基于鎖相環(huán)相位加權(quán)的重復(fù)控制。
單相逆變器的重復(fù)控制技術(shù) 目錄
目錄
前言
符號表
第1章 緒論 1
1.1 分布式能源系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展 1
1.2 單相逆變器建模 2
1.2.1 單相全橋獨(dú)立逆變器模型 2
1.2.2 單相全橋并網(wǎng)逆變器模型 4
1.3 逆變器控制方法 6
1.4 本章小結(jié) 8
第2章 重復(fù)控制基本理論 9
2.1 重復(fù)控制的基本思想 9
2.2 重復(fù)控制器的結(jié)構(gòu)及功能 12
2.2.1 內(nèi)模的改進(jìn) 14
2.2.2 被控對象的補(bǔ)償 17
2.3 重復(fù)控制器系統(tǒng)性能分析 19
2.3.1 穩(wěn)定性分析 19
2.3.2 抗諧波干擾性能分析 20
2.3.3 誤差收斂分析 21
2.4 本章小結(jié) 22
第3章 基于重復(fù)控制的復(fù)合控制策略 23
3.1 串聯(lián)復(fù)合控制結(jié)構(gòu)性能分析 23
3.2 并聯(lián)復(fù)合控制結(jié)構(gòu)性能分析 25
3.3 基于重復(fù)控制的PIMR控制器 26
3.3.1 PIMR結(jié)構(gòu) 27
3.3.2 PIMR穩(wěn)定性分析 29
3.3.3 IMR參數(shù)設(shè)計(jì) 30
3.3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 36
3.4 本章小結(jié) 40
第4章 基于FIR濾波器的分?jǐn)?shù)相位超前補(bǔ)償重復(fù)控制 41
4.1 相位超前補(bǔ)償原理 41
4.2 低采樣頻率下整數(shù)相位超前補(bǔ)償存在的問題 42
4.3 基于FIR濾波器的分?jǐn)?shù)相位超前補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn) 43
4.3.1 分?jǐn)?shù)延時的分離 43
4.3.2 基于FIR濾波器的分?jǐn)?shù)延時 44
4.3.3 分?jǐn)?shù)相位超前補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn) 47
4.4 PIMR控制系統(tǒng)中的分?jǐn)?shù)相位超前補(bǔ)償 47
4.4.1 分?jǐn)?shù)相位超前補(bǔ)償PIMR控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 47
4.4.2 參數(shù)設(shè)計(jì) 48
4.4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 52
4.5 本章小結(jié) 54
第5章 基于*優(yōu)切換策略的相位超前補(bǔ)償重復(fù)控制 55
5.1 切換重復(fù)控制 55
5.1.1 切換策略原理 55
5.1.2 穩(wěn)定性分析 56
5.2 切換重復(fù)控制的*優(yōu)設(shè)計(jì) 58
5.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 62
5.4 本章小結(jié) 68
第6章 基于循環(huán)采樣的變相位超前補(bǔ)償重復(fù)控制 69
6.1 循環(huán)采樣重復(fù)控制 69
6.1.1 循環(huán)采樣方案 69
6.1.2 穩(wěn)定性分析 71
6.1.3 循環(huán)重復(fù)控制實(shí)現(xiàn) 74
6.2 循環(huán)重復(fù)控制設(shè)計(jì) 75
6.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 78
6.4 本章小結(jié) 85
第7章 采用FIR濾波器應(yīng)對電網(wǎng)頻率變化 86
7.1 FD-PIMR控制器的分析 86
7.1.1 FD-PIMR控制器的穩(wěn)定性分析 86
7.1.2 電網(wǎng)頻率變化時的FD-PIMR分析 87
7.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 89
7.3 頻率自適應(yīng)PIMR的應(yīng)用 91
7.4 本章小結(jié) 93
第8章 采用鎖相環(huán)相位加權(quán)應(yīng)對電網(wǎng)頻率變化的重復(fù)控制 94
8.1 頻率波動對鎖相環(huán)的影響 94
8.2 基于鎖相環(huán)相位加權(quán)的重復(fù)控制 96
8.2.1 控制器結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn) 96
8.2.2 穩(wěn)定性分析 99
8.2.3 參數(shù)設(shè)計(jì) 99
8.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 102
8.3.1 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn) 102
8.3.2 頻率自適應(yīng)實(shí)驗(yàn) 104
8.3.3 電網(wǎng)電感變化實(shí)驗(yàn) 106
8.4 本章小結(jié) 107
第9章 設(shè)計(jì)內(nèi)模濾波器應(yīng)對電網(wǎng)頻率變化 108
9.1 基于內(nèi)模的重復(fù)控制諧振帶寬設(shè)計(jì) 108
9.1.1 帶寬重復(fù)控制 108
9.1.2 內(nèi)模濾波器與重復(fù)控制諧振特性關(guān)系 109
9.1.3 重復(fù)控制多諧振帶寬設(shè)計(jì) 112
9.2 MBRC控制結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性分析 112
9.3 MBRC控制器參數(shù)設(shè)計(jì) 113
9.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 117
9.5 本章小結(jié) 123
第10章 面向LCL參數(shù)變化的重復(fù)控制穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì) 125
10.1 基于小增益原理的穩(wěn)定條件頻域特性深入分析 125
10.2 基于內(nèi)模的重復(fù)控制魯棒性改進(jìn) 128
10.2.1 線性相位超前補(bǔ)償器的理論推導(dǎo) 128
10.2.2 IIR內(nèi)模濾波器的相位超前補(bǔ)償 130
10.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 132
10.4 本章小結(jié) 136
參考文獻(xiàn) 137
前言
符號表
第1章 緒論 1
1.1 分布式能源系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展 1
1.2 單相逆變器建模 2
1.2.1 單相全橋獨(dú)立逆變器模型 2
1.2.2 單相全橋并網(wǎng)逆變器模型 4
1.3 逆變器控制方法 6
1.4 本章小結(jié) 8
第2章 重復(fù)控制基本理論 9
2.1 重復(fù)控制的基本思想 9
2.2 重復(fù)控制器的結(jié)構(gòu)及功能 12
2.2.1 內(nèi)模的改進(jìn) 14
2.2.2 被控對象的補(bǔ)償 17
2.3 重復(fù)控制器系統(tǒng)性能分析 19
2.3.1 穩(wěn)定性分析 19
2.3.2 抗諧波干擾性能分析 20
2.3.3 誤差收斂分析 21
2.4 本章小結(jié) 22
第3章 基于重復(fù)控制的復(fù)合控制策略 23
3.1 串聯(lián)復(fù)合控制結(jié)構(gòu)性能分析 23
3.2 并聯(lián)復(fù)合控制結(jié)構(gòu)性能分析 25
3.3 基于重復(fù)控制的PIMR控制器 26
3.3.1 PIMR結(jié)構(gòu) 27
3.3.2 PIMR穩(wěn)定性分析 29
3.3.3 IMR參數(shù)設(shè)計(jì) 30
3.3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 36
3.4 本章小結(jié) 40
第4章 基于FIR濾波器的分?jǐn)?shù)相位超前補(bǔ)償重復(fù)控制 41
4.1 相位超前補(bǔ)償原理 41
4.2 低采樣頻率下整數(shù)相位超前補(bǔ)償存在的問題 42
4.3 基于FIR濾波器的分?jǐn)?shù)相位超前補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn) 43
4.3.1 分?jǐn)?shù)延時的分離 43
4.3.2 基于FIR濾波器的分?jǐn)?shù)延時 44
4.3.3 分?jǐn)?shù)相位超前補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn) 47
4.4 PIMR控制系統(tǒng)中的分?jǐn)?shù)相位超前補(bǔ)償 47
4.4.1 分?jǐn)?shù)相位超前補(bǔ)償PIMR控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 47
4.4.2 參數(shù)設(shè)計(jì) 48
4.4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 52
4.5 本章小結(jié) 54
第5章 基于*優(yōu)切換策略的相位超前補(bǔ)償重復(fù)控制 55
5.1 切換重復(fù)控制 55
5.1.1 切換策略原理 55
5.1.2 穩(wěn)定性分析 56
5.2 切換重復(fù)控制的*優(yōu)設(shè)計(jì) 58
5.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 62
5.4 本章小結(jié) 68
第6章 基于循環(huán)采樣的變相位超前補(bǔ)償重復(fù)控制 69
6.1 循環(huán)采樣重復(fù)控制 69
6.1.1 循環(huán)采樣方案 69
6.1.2 穩(wěn)定性分析 71
6.1.3 循環(huán)重復(fù)控制實(shí)現(xiàn) 74
6.2 循環(huán)重復(fù)控制設(shè)計(jì) 75
6.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 78
6.4 本章小結(jié) 85
第7章 采用FIR濾波器應(yīng)對電網(wǎng)頻率變化 86
7.1 FD-PIMR控制器的分析 86
7.1.1 FD-PIMR控制器的穩(wěn)定性分析 86
7.1.2 電網(wǎng)頻率變化時的FD-PIMR分析 87
7.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 89
7.3 頻率自適應(yīng)PIMR的應(yīng)用 91
7.4 本章小結(jié) 93
第8章 采用鎖相環(huán)相位加權(quán)應(yīng)對電網(wǎng)頻率變化的重復(fù)控制 94
8.1 頻率波動對鎖相環(huán)的影響 94
8.2 基于鎖相環(huán)相位加權(quán)的重復(fù)控制 96
8.2.1 控制器結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn) 96
8.2.2 穩(wěn)定性分析 99
8.2.3 參數(shù)設(shè)計(jì) 99
8.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 102
8.3.1 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn) 102
8.3.2 頻率自適應(yīng)實(shí)驗(yàn) 104
8.3.3 電網(wǎng)電感變化實(shí)驗(yàn) 106
8.4 本章小結(jié) 107
第9章 設(shè)計(jì)內(nèi)模濾波器應(yīng)對電網(wǎng)頻率變化 108
9.1 基于內(nèi)模的重復(fù)控制諧振帶寬設(shè)計(jì) 108
9.1.1 帶寬重復(fù)控制 108
9.1.2 內(nèi)模濾波器與重復(fù)控制諧振特性關(guān)系 109
9.1.3 重復(fù)控制多諧振帶寬設(shè)計(jì) 112
9.2 MBRC控制結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性分析 112
9.3 MBRC控制器參數(shù)設(shè)計(jì) 113
9.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 117
9.5 本章小結(jié) 123
第10章 面向LCL參數(shù)變化的重復(fù)控制穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì) 125
10.1 基于小增益原理的穩(wěn)定條件頻域特性深入分析 125
10.2 基于內(nèi)模的重復(fù)控制魯棒性改進(jìn) 128
10.2.1 線性相位超前補(bǔ)償器的理論推導(dǎo) 128
10.2.2 IIR內(nèi)模濾波器的相位超前補(bǔ)償 130
10.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 132
10.4 本章小結(jié) 136
參考文獻(xiàn) 137
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單相逆變器的重復(fù)控制技術(shù) 節(jié)選
第1章 緒論 1.1 分布式能源系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展 在能源短缺和環(huán)境污染的雙重壓力下，電力系統(tǒng)正從依賴化石能源的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向高比例可再生能源和高比例電力電子設(shè)備的新一代“雙高”電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變[1，2]。基于太陽能、風(fēng)能和生物質(zhì)能等可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)對環(huán)境污染小，近年來受到越來越多的國家和地區(qū)重視[3-5]。分布式發(fā)電系統(tǒng)作為可再生能源的主要載體，典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.1所示。 圖1.1 分布式發(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖 分布式能源系統(tǒng)的特點(diǎn)是： (1)實(shí)現(xiàn)能源綜合利用，能源利用率高，具有良好的節(jié)能效應(yīng)； (2)彌補(bǔ)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定性方面的不足； (3)裝置容量小、占地面積小、初始投資少，降低了遠(yuǎn)距離輸送損失和相應(yīng)的 輸配新系統(tǒng)投資，可以滿足特殊場合的要求； (4)環(huán)境友好，燃料多元化，為可再生能源利用開辟了新方向。 相對于傳統(tǒng)的集中式發(fā)電，分布式發(fā)電既可獨(dú)立運(yùn)行離網(wǎng)為用戶供電，也可并網(wǎng)運(yùn)行為電網(wǎng)送電，是一種高效、可靠、經(jīng)濟(jì)的發(fā)電方式[6，7]。電力電子變換器是分布式發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件之一。 1.2 單相逆變器建模 逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電力電子變換器，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備中，其性能對設(shè)備的安全、穩(wěn)定和高質(zhì)量運(yùn)行具有重要影響[8]。根據(jù)輸出側(cè)是否接入電網(wǎng)，逆變器可分為獨(dú)立逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨(dú)立逆變器為離網(wǎng)系統(tǒng)獨(dú)立供電，而并網(wǎng)逆變器將能量直接輸送至電網(wǎng)。逆變器一般采用脈寬調(diào)制(pulsewidth modulation，PWM)策略[9]，其輸出電壓中存在大量開關(guān)頻率附近的諧波。 這種高頻率諧波需要引入合適的輸出濾波器濾除[10，11]，通常LC濾波器用于獨(dú)立逆變器中，LCL濾波器用于并網(wǎng)逆變器中。 1.2.1 單相全橋獨(dú)立逆變器模型 圖1.2是包含線性負(fù)載和非線性整流負(fù)載的恒壓恒頻(constant voltage and constant frequency，CVCF)單相PWM逆變器模型[12，13]。其中Edc是直流母線電壓，uinv是PWM逆變器的輸出電壓，um是控制器輸出調(diào)制波電壓。Q1～Q4是絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)開關(guān)管，當(dāng)Q1和Q4開通，Q2和Q3關(guān)斷時，uinv=Edc；當(dāng)Q2和Q3開通，Q1和Q4關(guān)斷時，uinv=.Edc。L是濾波電感，r是電感器L的等效串聯(lián)電阻，C是濾波電容。 LC低通濾波器主要濾除開關(guān)管的開通和關(guān)斷時引入的高頻諧波。R是線性電阻負(fù)載，整流橋和Lr、Cr和Rr組成整流負(fù)載，uref是參考電壓，u0是輸出電壓。 圖1.2 CVCF單相PWM逆變器模型 根據(jù)基爾霍夫定律，可得如下方程： 其狀態(tài)空間表達(dá)式為 根據(jù)式(1.1)、式(1.2)和圖1.2，得到單相獨(dú)立逆變器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.3所示。其中，Gu(s)為電壓控制器。kpwm=Edc/utri為控制器輸出調(diào)制波um到逆變器輸出電壓uinv的等效比例環(huán)節(jié)，這里utri為三角載波的幅值。對該比例環(huán)節(jié)做歸一化處理，即取utri=1，同時將um的幅值除以Edc，可以得到kpwm=1。 圖1.3 單相獨(dú)立逆變器的結(jié)構(gòu)框圖 u0和uinv之間的傳遞函數(shù)可以表示為 圖1.4 不同負(fù)載下獨(dú)立逆變器GLC(s)的頻率響應(yīng) 圖1.4顯示了在不同負(fù)載情況下逆變器系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。從圖中可以看出系統(tǒng)在諧振頻率處有一個諧振峰，因此需要采用合適的方法來抑制諧振峰以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。在無負(fù)載(R=∞)的條件下，系統(tǒng)具有*差的穩(wěn)定性能。為了保證不同負(fù)載下系統(tǒng)的穩(wěn)定性，獨(dú)立逆變器的設(shè)計(jì)均在無負(fù)載條件下進(jìn)行。對應(yīng)的傳遞函數(shù)為 1.2.2 單相全橋并網(wǎng)逆變器模型 圖1.5是LCL型單相并網(wǎng)逆變器模型，主要包括LCL濾波器、鎖相環(huán)(phase locked loop，PLL)、電流控制器和脈寬調(diào)制控制的逆變器四部分[14-16]。 圖1.5 LCL型單相并網(wǎng)逆變器模型 LCL濾波器中L1和L2分別為逆變器側(cè)和電網(wǎng)側(cè)電感，C為濾波電容，r1和r2分別為兩個電感的等效電阻。Lg為電網(wǎng)電感，ug為電網(wǎng)電壓。PCC(point of common coupling) 為電網(wǎng)公共耦合點(diǎn)，鎖相環(huán)PLL采集電網(wǎng)電壓的相位和參考電流的幅值Iref構(gòu)成參考電流iref。uinv為逆變器輸出電壓，其中含有大量開關(guān)頻率附近的諧波，經(jīng)LCL濾波器衰減后才能減輕對電網(wǎng)的污染。根據(jù)基爾霍夫定律可得 由此得出狀態(tài)空間模型 根據(jù)式(1.5)、式(1.6)和圖1.5可以得到并網(wǎng)逆變器的控制框圖如圖1.6所示。從逆變器輸出電壓uinv到電網(wǎng)電流ig的傳遞函數(shù)為 圖1.6 LCL型單相并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)框圖 在濾波器中，r1和r2的值很小，為了方便分析和計(jì)算，可以省略。因此式(1.7)通常表示為 濾波器的諧振頻率為 如圖1.7所示，與L濾波器相比，LCL濾波器中含有為高頻諧波電流提供旁路通路的濾波電容，因而在實(shí)現(xiàn)相同濾波效果的情況下，LCL濾波器中兩個電感的電感量之和小于L濾波器中單個電感量，體積更小，成本更低[17， 18]。然而，LCL濾波器為三階模型，引入了一對諧振極點(diǎn)，其幅頻特性在諧振頻率處存在諧振峰，同時相頻特性曲線存在-180°相位跳變，可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此需要采用合適的諧振峰抑制方法，避免并網(wǎng)逆變器輸出電流劇烈波動，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 逆變器諧振峰的阻尼方法通常有無源阻尼策略[19]和有源阻尼策略[20-22]。無源阻尼(passive damping，PD)策略通過在濾波電感或電容上串聯(lián)或并聯(lián)電阻來增加系統(tǒng)阻尼，衰減諧振峰，從而使得系統(tǒng)穩(wěn)定。這種方法穩(wěn)定可靠，其中電容串聯(lián)電阻在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。然而，阻尼電阻所帶來的損耗會降低系統(tǒng)效率。有源阻尼(active damping，AD)策略不存在阻尼損耗問題，核心思想是通過引入零點(diǎn)或共軛零點(diǎn)消除諧振極點(diǎn)，或?qū)CL濾波器極點(diǎn)吸引至穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，并且使系統(tǒng)保留一定的穩(wěn)定裕度[20]。AD 策略一般分為兩類：一類是基于狀態(tài)變量反饋的有源阻尼法[21-24]，另一類是基于陷波器的有源阻尼法[25-27]。 圖1.7 L和LCL濾波器的頻率特性 1.3 逆變器控制方法 高性能的逆變器具有電能質(zhì)量高、效率高、動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，其中諧波含量是衡量其電力質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，周期波形是基波和諧波的疊加。基波是有效信號，諧波是擾動信號。諧波污染的來源有很多[28]，如非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波[29]、電網(wǎng)背景諧波[30]等。諧波污染會使得輸出波形畸變，從而降低整個逆變系統(tǒng)的性能。目前，衡量諧波污染的標(biāo)準(zhǔn)有很多，應(yīng)用*多的是總諧波畸變率(total harmonic distortion，THD)。THD指不大于某特定H次的所有諧波分量有效值Gn與基波分量有效值G1比值的方和根， 入網(wǎng)電流的諧波對電力系統(tǒng)的運(yùn)行和電力設(shè)備的工作會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，對此，IEEE Std.1547—2018[31]和Q/GDW 1480—2015[32]均對入網(wǎng)電流的各次諧波
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