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考虑数字控制和PWM效应的三相并网变换器多频小信号建模
Multifrequency Small-Signal Modeling for Three-Phase Grid-Tied Converter Considering Digital Control and PWM Effect
| 作者 | Hang Li · Yao Sun · Jianheng Lin · Guanguan Zhang · Yonglu Liu · Mei Su |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年10月 |
| 技术分类 | 系统并网技术 |
| 技术标签 | PWM控制 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 数字控制 三相并网电压源变换器 s域多频小信号模型 高频稳定性 离散化方法 |
语言:
中文摘要
由于忽略了数字控制和脉宽调制(PWM)效应引入的宽带频率耦合效应,传统应用于数字控制功率变换器的平均建模方法在s域的精度不足。本文建立了数字控制三相并网电压源变换器的s域多频小信号模型,该模型全面考虑了数字控制和PWM的影响。因此,数字控制框架中的关键系统动态特性能够有效融入系统模型,确保了模型在奈奎斯特频率以上的准确性。基于所建立的模型,可以准确预测高频稳定性,而传统平均模型和其他改进模型存在局限性。此外,本文揭示了不同离散化方法(双线性变换、后向欧拉法)导致的模型和稳定性差异。仿真和实验结果在阻抗测量和稳定性分析方面验证了理论分析的正确性。
English Abstract
The traditional averaging modeling methods applied for digitally controlled power converters are insufficiently accurate in the s-domain due to the neglect of the broadband frequency coupling effect introduced by the digital control and pulsewidth modulation (PWM) effect. In this article, an s-domain multifrequency small-signal model of a digitally controlled three-phase grid-tied voltage source converters is developed, which comprehensively considers the effect of digital control and PWM. As a result, crucial system dynamics in the digital control framework can be effectively incorporated into the system model, ensuring the accuracy of the model above the Nyquist frequency. Based on the established model, the high-frequency stability can be accurately predicted, while the traditional averaged model and other improved models present limitations. Furthermore, the model and stability differences resulting from different discretization methods (Tustin transform, backward Euler) are revealed. Simulation and experimental results verify the correctness of the theoretical analysis in terms of impedance measurement and stability analysis.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项多频小信号建模技术对我们的三相并网逆变器产品具有重要的工程价值。传统的平均建模方法在数字控制系统中存在明显的精度缺陷,特别是在奈奎斯特频率以上无法准确预测系统动态特性,这直接影响到我们光伏逆变器和储能变流器在复杂电网环境下的稳定性评估。
该技术的核心价值在于全面考虑了数字控制延迟和PWM效应带来的宽频耦合现象,这对于我们当前面临的高频振荡和谐波稳定性问题具有直接的指导意义。随着光伏电站和储能系统的装机容量不断增大,弱电网并网场景日益增多,高频段的系统交互特性往往成为稳定性问题的根源。该模型能够准确预测这些高频不稳定现象,为我们的控制器参数优化和系统设计提供更可靠的理论依据。
特别值得关注的是,论文揭示了不同离散化方法(Tustin变换、后向欧拉)对系统稳定性的影响差异。这为我们在DSP和FPGA控制平台的算法实现提供了重要参考,有助于在产品设计阶段就规避潜在的稳定性风险。
从技术成熟度来看,该方法已通过仿真和实验验证,具备较强的工程可行性。主要挑战在于模型复杂度的增加会提高计算负担,需要在建模精度和工程实用性之间寻求平衡。建议我们的研发团队将该技术应用于新一代高功率密度逆变器的开发中,特别是在阻抗建模和并网适应性测试环节,这将显著提升产品在复杂电网工况下的可靠性和竞争力。