基于LADRC与模糊自适应的新型有源阻尼谐振抑制策略_李月超.pdf

15 电工电气电工电气 (2023 No.2)基金项目：国家自然科学基金项目(51877152)作者简介：李月超(1997)，男，硕士研究生，研究方向为自抗扰控制技术、风电并网技术；高志强(1960)，男，教授，博士，研究方向为自抗扰控制技术应用。李月超，高志强，周雪松，郭帅朝(天津理工大学 电气工程与自动化学院，天津 300384)摘 要：针对 LCL 型并网逆变器固有谐振属性容易引起系统谐振，影响系统稳定性的问题，采用无需增添额外传感器的并网电流反馈有源阻尼(GCFAD)法抑制谐振，并引入高通滤波器(HPF)抑制传统GCFAD 中二次微分环节对高频谐波电流的放大效应。为应对电网阻抗变化导致谐振频率偏移时阻尼参数难以根据系统变化进行实时调节，提出一种基于线性自抗扰的新型并网电流反馈模糊自适应有源阻尼控制策略(FHPF-LADRC)，进一步提高系统的鲁棒性。使用频域分析法分析新型有源阻尼控制对抑制系统谐振峰值和高频谐波衰减的效果，通过仿真结果验证了新型有源阻尼控制策略不仅有效提高系统阻尼效果，还增强系统稳定性和谐波抑制力，具有较好的可行性。关键词：并网逆变器；谐振；有源阻尼；模糊自适应；自抗扰控制中图分类号：TM464；TM712 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2023)02-0015-08 Abstract:The inherent resonance of grid-connected inverter with LCL filter is apt to cause system resonance,affecting the system sta-bility.In the paper,the grid-connected current feedback active damping(GCFAD)method without additional sensors is used to suppress resonance,and high pass filter(HPF)is introduced to suppress the amplification of high-frequency harmonic current by second derivative.It is difficult to adjust damping parameters in real time according to system changes when resonance frequency offsets due to grid impedance variation,so an active damping control strategy of new grid current feedback based on linear active disturbance rejection and fuzzy adaptive is proposed to further improve the robustness of the system.Effects of the new active damping control on resonant peak and high frequency harmonic attenuation are analyzed by frequency domain analysis method.The simulation results show that the new active damping control strategy has great feasibility because it not only effectively improves the damping effect of the system,but also enhances the system stability and harmonic suppression force.Key words:grid-connected inverter;resonance;active damping;fuzzy adaptive;auto disturbance rejection controlLI Yue-chao,GAO Zhi-qiang,ZHOU Xue-song,GUO Shuai-chao（College of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China）New Active Damping Resonant Suppression Strategy Based on Linear ActiveDisturbance Rejection and Fuzzy Adaptive基于LADRC与模糊自适应的新型有源阻尼谐振抑制策略0 引言随着分布式新能源发电产业不断发展，增大了变流器并网接口处LCL型滤波器产生复杂谐振现象的可能，对电网的高效运行和电能质量造成极大影响1。LCL 型滤波器相比单 L 型、LC 型，不仅具有更强的滤波能力，还节约了设备成本与体积2。但 LCL 型滤波器是三阶欠阻尼系统，频率特性曲线存在谐振尖峰，容易引起逆变器系统产生谐振，严重影响系统稳定性3。通常在系统中引入阻尼对谐振尖峰进行抑制，来解决 LCL 型滤波器谐振问题4-5。LCL 型滤波器引入阻尼方法分为两类：无源阻尼虽然结构简单安全性高，但会产生额外电能损耗，降低系统运行效率，不符合节能要求6-7；有源阻尼可通过灵活选择状态变量反馈的虚拟电阻，实现增加系统阻尼效果，没有额外能量损耗。有源阻尼根据是否需要增加额外传感器分为两类：一类是需添加额外传感器的有源阻尼法，增大了逆变器的硬件体积与成本，传感器采样误差也影响系统可靠性8；设计与研究基于LADRC与模糊自适应的新型有源阻尼谐振抑制策略16电工电气电工电气 (2023 No.2)另一类是无需添加额外传感器的并网电流反馈有源阻尼(GCFAD)法，具有低成本优势。但传统 GCFAD中存在并网电流二次微分环节，容易放大高次谐波电流导致系统振荡，且二次微分环节很难在工程中实现9-11。参考文献 12-14 设计了在传统 GCFAD中引入高通滤波器(HPF)的有源阻尼法，解决了直接求取并网电流二次微分信号的谐波放大问题，但其内部的微分环节在实际应用中仍有一定设计难度。参考文献 15 设计了阻尼法与自抗扰控制(ADRC)结合的控制方法，但其没有考虑电网电感变化时系统谐振频率偏移问题。参考文献 16 提出使用模糊控制对系统无源阻尼参数进行在线调整，但其增加了系统额外能量损耗，且 PI 控制器的鲁棒性欠佳。针对上述问题，本文提出一种新型有源阻尼控制策略。首先由逆变器控制系统的数学模型，分析逆变器产生谐振的机理。推导出引入 HPF 后 GCFAD的等效虚拟阻抗，分析出 HPF 有源阻尼参数取值范围。在此基础上，设计分析三阶线性自抗扰控制(LADRC)，将其扩张状态观测器观测出的并网电流微分信号与有源阻尼内环的反馈通道相串联，实现既无需增添外传感器，又解决求取并网电流微分信号困难的问题。引入模糊自适应控制，对有源阻尼增益参数进行在线自适应调节，实现基于线性自抗扰的新型并网电流反馈模糊自适应有源阻尼(FHPF-LADRC)控制设计。最后，仿真结果验证了所提控制策略的有效性。1 系统数学模型与分析1.1 并网逆变器数学模型图 1 为 LCL 型并网逆变器控制拓扑图。图 1 中的电感L1与L3、电容C构成 LCL 型滤波器，其中uk和i1k(k=a，b，c)表示逆变器侧的电压和电流；uCk和iCk表示滤波电容的电压和电流；ugk和i2k表示电网侧的电压和电流；Lg为电网等效电感；udc为直流电压；i2dref、i2qref分别为d、q轴上参考电流。由图 1 使用基尔霍夫定律与拉普拉斯变换列出系统数学模型，如式(1)所示。式中L2=L3+Lg。根据式(1)可得逆变器侧电压到并网电流的传递函数，如式(2)所示。式中：res为 LCL 型并网逆变器的谐振角频率，由式(1)可得到电网电压到并网电流的传递函数为：设逆变器系统中存在角频率为n的谐波时，将s=jn代入式(3)可得：由式(4)可知，当 LCL 型滤波器中含有临近谐振角频率res的谐波时，理论上并网谐波电流的幅值将趋近无穷，产生谐波被放大现象。此时并网系统发生谐振问题，影响电网系统运行稳定性。由式(1)进行 Park 变换推导出：分别为d、q轴上逆变器侧电流和电压；i2d、i2q和(1)sL1i1k=uk(s)-uCk(s)sL2i2k=uCk(s)-ugk(s)iCk(s)=i1k(s)-i2k(s)GLCL(s)=i2k(s)uk(s)1L1L2Cs3+(L1+L2)s1L1L2Cs(s2+2res)(2)G1(s)=i2k(s)ugk(s)1+L1Cs2L1L2Cs3+(L1+L2)s(3)(4)ugk(jn)=1+L1C(jn)2L1L2C(jn)3+(L1+L2)jnlim i2k(jn)=lim nresnres(5)=b0u1d+fdd3i2ddt3=b0u1q+fqd3i2qdt3式中：b0=，fd=-+i1q-1L1L2CL2Cdi2ddtd2i2qdt21L2Cd2i2ddt2 uCd+-，fq=-1L1L2C1L2CL2d2ugddt2duCqdtdi2qdt1L2 i1d-uCq-，i1d、i1q和u1d、u1qL2C1L1L2CL2d2ugqdt2duCddt1L2基于LADRC与模糊自适应的新型有源阻尼谐振抑制策略图1 LCL型并网逆变器控制拓扑图udcabc/dq控制器控制器有源阻尼环节SVPWMi1ki2kL1L3LgPCCugkukuCkiCk-i2di2drefi2qrefi2q+C+L1+L2L1L2Cres=，所对应的谐振频率为fres=。res2 17 电工电气电工电气 (2023 No.2)ugd、ugq分别为d、q轴上电网侧电流和电压；uCd、uCq分别为d、q轴上滤波电容电压；为电网角频率。因dq轴完全对称耦合，为方便分析本文以d轴进行研究分析。1.2 并网电流反馈有源阻尼控制分析在建模中可知，LCL 型并网逆变器谐振尖峰成因是由式(2)的特征方程中二次项系数较小导致，即系统阻尼较小引起。为解决谐振尖峰诱发的谐振问题，常采用在电流环里引入有源阻尼内环，组成双闭环系统。为节省系统硬件成本和削弱传统 GCFAD对谐波电流放大效应，采用阻尼环引入 HPF 的 GCFAD控制策略。图 2 为引入 HPF 的 GCFAD 控制框图。图 2 中，Kpwm为调制波到逆变器输出电压的等效增益，可取为 1。将引入 HPF 的 GCFAD 等效为滤波电容C上并联虚拟阻抗Z1e。设s=j，其表达式如式(6)所示。式中：kh为高通滤波器等效增益，h为截止角频率。由式(6)可将Z1e等效为电阻R1e和电容C1e的并联，此时式(2)化简为：由式(6)和式(7)可知，该方法有效地提升了系统阻尼，并增加了特征方程中二次项系数。依据劳斯稳定性判据，给出系统稳定前提下的kh和h取值范围为：2 新型并网电流反馈有源阻尼设计与分析2.1 线性自抗扰控制器设计由式(5)可知，系统数学模型为三阶，由此设计三阶 LADRC 控制器，如图 3 所示。图 3 中 LSEF为线性状态误差反馈控制率；r为输入参考值；u0为 LSEF 的输出；b0为控制增益；u为控制量；LESO 为线性扩张状态观测器；z1、z2、z3、z4分别为观测出系统输出y及输出微分和二阶微分、总扰动的跟踪信号。将式(5)微分方程化简为状态方程，如式(9)所示。式中：y=i2d、x2d=y?、x3d=y；x4d=fd为系统内外的总扰动，h为fd的微分。由式(9)建立四阶 LESO 为：式中：b1、b2、b3、b