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控制与算法
★ 5.0
基于比例谐振控制器相位滞后的逆变器鲁棒稳定性设计
Robust Stability Design for Inverters Using Phase Lag in Proportional-Resonant Controllers
| 作者 | Zhiyong Chen · Bin Li · Boyi Wang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年8月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 比例谐振控制器 单环控制逆变器 稳定性 控制器参数调整 相位裕度补偿 |
语言:
中文摘要
工程师常常将比例谐振(PR)控制器简化为更简单的比例控制器,而忽略了中频处的相位滞后。这种简化可能会导致错误的假设,即当电感 - 电容 - 电感(LCL)谐振频率(ω<sub xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">r</sub>)低于临界频率(ω<sub xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">crit</sub>),即当 ω<sub xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">r</sub> ≤ ω<sub xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">crit</sub> 时,采用网侧电流反馈的单环控制逆变器会失稳。相反,我们发现 PR 控制器能够在中频处提供足够的相位滞后。在 ω<sub xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">r</sub> ≤ ω<sub xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">crit</sub> 的条件下,通过调整控制器参数来增大该相位滞后,无需额外的阻尼即可使逆变器稳定。我们的研究提出了一种稳健的稳定性设计流程,该流程包括调整 PR 控制器参数以及可选的相位裕度(PM)补偿,以确保逆变器的稳定性,并在电网阻抗波动的情况下保持良好的动态性能。首先,我们建立了控制器参数与相位穿越频率之间的数学关系。然后利用这一关系来设置相位穿越频率,使其与逆变器侧滤波电感和电容产生的反谐振频率相匹配。随后,我们引入了一个可选的 PM 补偿器,以加快跟踪误差的收敛速度并减少高频振荡。最后,一个案例研究凸显了该控制系统的稳健性、暂态性能以及设计方法的灵活性。
English Abstract
Engineers often reduce proportional-resonant (PR) controllers to simpler proportional controllers, neglecting the phase lag at midfrequencies. This reduction can lead to the incorrect assumption that a single-loop-control inverter with grid-side current feedback destabilizes when the inductor-capacitor-inductor (LCL) resonant frequency (ωr) is below the critical frequency (ωcrit), i.e., when ωr ≤ ωcrit. In contrast, we found that the PR controllers can provide adequate phase lag at midfrequencies. Adjusting the controller parameters to increase this phase lag can stabilize the inverter under ωr ≤ ωcrit conditions without additional damping. Our research offers a robust stability design process that involves tuning PR controller parameters and optional phase margin (PM) compensation to ensure inverter stability and maintain good dynamic performance despite fluctuations in grid impedance. Initially, we establish a mathematical relationship between the controller parameters and the phase crossover frequency. This relationship is then used to set the phase crossover frequency to match the antiresonant frequency created by the inverter-side filter inductor and capacitor. Subsequently, we introduce an optional PM compensator to speed up the convergence of tracking error and reduce high-frequency oscillations. Finally, a case study highlights the control system’s robustness, transient performance, and flexibility of the design approach.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于比例谐振控制器相位滞后的鲁棒稳定性设计研究具有重要的工程应用价值。该技术直接针对光伏逆变器和储能变流器中广泛应用的LCL滤波器控制难题,突破了传统设计中"谐振频率低于临界频率必然失稳"的认知局限。
对于阳光电源的产品线而言,这项技术的核心价值体现在三个层面:首先,通过精确调节PR控制器参数实现中频段相位滞后补偿,可在不增加额外有源阻尼环节的情况下保证系统稳定性,这将显著降低控制算法复杂度和DSP计算负荷,特别适用于大功率集中式逆变器和储能PCS产品的成本优化。其次,该方法建立的控制器参数与相位交越频率的数学关系,为应对电网阻抗波动提供了系统化的设计流程,这对提升产品在弱电网环境下的适应性至关重要,直接关系到阳光电源在海外复杂电网条件下的市场竞争力。第三,可选的相位裕度补偿器设计兼顾了动态响应速度和高频振荡抑制,有助于满足新版电网标准对故障穿越和电能质量的严苛要求。
从技术成熟度评估,该研究提供了完整的理论推导和案例验证,具备较高的工程化可行性。主要挑战在于实际电网参数辨识精度和多机并联场景下的参数协调优化。建议阳光电源研发团队重点关注该技术与现有电网自适应控制策略的融合,探索在1500V高压系统和混合储能系统中的应用潜力,这将为产品差异化竞争提供新的技术支撑点,并可能衍生出具有自主知识产权的控制算法专利族。