[发明专利]包含数字控制延时的并网电流环临界阻尼参数确定方法

说明书

本发明公开了一种包含数字控制延时的并网电流环临界阻尼参数确定方法。该方法步骤为：以单电感并网变流器为被控对象，得到其在正序同步旋转坐标系的矢量模型，电流环采用复系数矢量控制器以抵消被控对象的复系数零点；以数字控制为出发点，在电流环直接包含由数字控制而引入的一拍延时；通过将该延时环节以二阶Pade函数近似展开，进一步得到电流环开环传递函数；最后，通过分析电流环根轨迹曲线，找到使得系统处于临界阻尼状态的控制器增益作为电流环最优增益。本发明在临界阻尼控制器增益作用下，电流环阶跃响应调节时间最短并且不会产生超调，以及获得了最高的系统稳定裕度，消除了变流器瞬时过流的风险并有助于减小对电网的冲击。

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种包含数字控制延时的并网电流环临界阻尼参数确定方法。

背景技术

并网变流器在电力系统有着极其广泛的应用，典型包括可再生能源(光伏、风电等)并网发电、电能质量治理、储能变流器、PWM整流等，此时变流器相对电网而言为一个等效的可控电流源，通过调节注入电网电流的幅值与相位，实现并网有功与无功功率调节的目的，因此变流器控制的重点是并网电流质量。

比例-积分(Proportional-integral，PI)控制器在控制领域有着非常广泛的应用，由于基波正序交流信号在正序同步旋转坐标系(PS-SRF)表现为直流量，因此直观上通过PI控制器对直流分量提供的无穷大增益，便可实现对PS-SRF直流信号的无静差调节，因此基于SRF的PI控制已经成为并网型变流器以及电机驱动等系统电流调节的工业标准长达20多年。

然而，被控对象在SRF会出现交叉耦合项，使得d、q轴电流的暂态调节响应相互影响，即d轴电流的调节过程会影响q轴电流，反之亦然。将电网电压作为扰动分量考虑，则系统表现为一个两输入/两输出系统，其矩阵方程不利于使用常规的分析工具(如根轨迹、频率响应等)展开研究，也不利于控制器参数的调节。并且，对于数字控制而言，延时毕竟是不可忽略的，尤其是当控制频率相对于开关频率较高时(载波比低下的情况)，延时成为制约控制器性能的主要因素。

此外，PI控制器的参数调节长久以来是个谜一样的问题，缺乏统一而明确的指导依据。通常来说对控制器的性能要求可以分为两大部分，即对参考给定信号的跟踪能力(调节时间、超调、稳态误差等)以及对扰动信号的抑制能力(电网电压、电机反电势)。对于给定参考信号，期望并网电流尽可能快速跟踪参考信号的变化，并且尽可能减小超调，以避免变流器发生瞬时过流保护，这对于大功率变流器尤为重要，以此可以减小变流器启停机以及电流突变情况下对电网的冲击。

到目前为止，有关并网变流器电流环参数确定或者直接忽略耦合项的影响，或者使用状态反馈进行近似解耦。并且，没有考虑数字控制的一拍延时以及变流器所固有的临界保持特性，在大功率变流器受功率器件散热要求而开关频率低下的情况下，电流环性能下降，系统容易发生震荡甚至不稳定现象。此外，对于PS-SRF的控制器增益确定缺乏明确的指导依据，更多地应用凑试法或者经验估计，难以实现变流器性能最优化，表现出电流阶跃响应超调量大且调节时间长的不足，容易引发变流器过流保护并对电网产生瞬时冲击。

发明内容

本发明的目的在于提供一种包含数字控制延时的并网电流环临界阻尼参数确定方法，使得电流环阶跃响应调节时间最小的同时抑制超调的产生，从而使系统获得最高的稳定裕度。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种包含数字控制延时的并网电流环临界阻尼参数确定方法，包括如下步骤：

(1)建立被控对象在正序同步旋转坐标系的矢量模型；

(2)以复系数矢量控制器的零点消除被控对象的复数极点，并通过延时补偿消除延时项在控制频率处的延时；

(3)将补偿后延时项以二阶Pade函数展开；

(4)通过根轨迹曲线，得到系统处于临界阻尼状态的控制器增益。