LCL型并网逆变器的线性自抗扰控制策略研究_丁欣.pdf

第 卷第 期红水河 年 月 型并网逆变器的线性自抗扰控制策略研究丁 欣，邱 敏，陈君霞，李晓东（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁）摘 要：为解决 型并网逆变器的谐振问题，降低并网电流的总谐波畸变率，笔者以 型逆变器为研究对象，提出一种基于三阶线性自抗扰的并网电流控制策略。该策略将系统内扰和外扰的总和作为广义扰动，利用扩张状态观测器 对状态和扰动进行估计，并实现实时补偿，其不依赖于精确的数学模型，从而提高了并网系统的鲁棒抗扰性能和谐振抑制能力。通过 搭建单相并网逆变器仿真平台，与传统有源阻尼策略对比分析可知，文中所提策略具有较好的谐振抑制效果，降低了总谐波畸变率，并具有良好的动态性能和鲁棒性能。关键词：型并网逆变器；三阶线性；自抗扰控制；谐振抑制；鲁棒性中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：,(,):,:;引言随着新能源及可再生能源的分布式发电技术的发展，并网逆变器作为分布式能源连接大电网的关键设备，应用十分广泛。并网逆变器通常采用 驱动信号，会带来高频开关谐波。型滤波器和 型滤波器通常用来滤除高频开关谐波，然而 型滤波器体积大。因此，型滤波器因其体积小和良好的高频开关谐波滤除能力，得到了广泛的应用。为了保证并网逆变器系统良好的稳 收稿日期：；修回日期：基金项目：广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划资助项目（桂教人才 号）；年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（）；年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（）；年度广西水利电力职业技术学院重点科研项目（）作者简介：丁 欣（），女，山东菏泽人，副教授，博士，主要从事电力电子技术研究。：。丁 欣，邱 敏，陈君霞，等：型并网逆变器的线性自抗扰控制策略研究态性能和动态性能，常用控制方法有比例积分（，）控制、比例谐振（，）控制、准 控制、无源控制、滑模控制等。然而，型滤波器存在固有谐振，影响并网电流的质量，造成谐波畸变率增大。目前，抑制谐振的方法主要有无源阻尼策略和有源阻尼策略。无源阻尼策略是通过在滤波电容支路串联或者并联电阻实现的，可以起到很好的谐振阻尼效果，但也会造成不可避免的能量损耗。文献中提到的有源阻尼策略通过改变控制策略来达到抑制谐振的效果，因为没有额外的损耗，所以得到了广泛的运用，其中最常用的是电容电流反馈的有源阻尼策略。另外，文献中提出了一种比例积分与状态反馈的有源阻尼策略，并给出了零极点配置策略。文献提出了全状态控制策略，然而增加了系统算法的复杂程度。自抗扰控制（，）理论是韩京清学者提出来的，包括扩展状态观测器（，）、状态误差反馈率（，），可以提供系统良好的动态性能、稳态性能和抗干扰能力。因自抗扰控制有良好的控制性能，被成功应用于 高速飞轮、电机驱动器及船舶航向等控制中。目前，并网逆变器领域的学者也对自抗扰控制展开了研究：宋国杰等将一阶 应用于有源电力滤波器，解决了系统快速性和超调之间的矛盾，但并没有涉及高阶 的设计；吴云亚等针对并网逆变器提出了二阶 电流控制器，实现了电网并网模式和孤岛模式的平滑过渡。但目前针对 滤波器的三阶 的设计，很多文献还没有涉及。鉴于此，本文以 型逆变器为研究对象，提出一种基于三阶线性自抗扰的并网电流控制策略，并通过 仿真验证本文所提策略的有效性。型并网逆变器模型 型单相并网逆变器控制结构如图 所示。电路主要包括四大部分：全桥电路、滤波器、电网和控制环节。其中，为输入直流电源；为直流侧电解电容，负责直流侧的稳压；为开关管。逆变器侧电感、电网侧电感、滤波电容 组成了滤波器，用来滤除高频开关谐波；，和分别为其寄生电阻。为逆变桥输出电压，为电网电压。并网逆变器采用 驱动开关管，采用锁相环 来检测电网相位，用来实现并网电流与电网电压同步。图 型单相并网逆变器控制结构框图 根据图 中 滤波器的结构可推导并网逆变器系统的状态方程。其中，为逆变器侧电流，为并网电流，为滤波电容支路电流。根据基尔霍夫定律，得到 滤波器的状态方程，如式（）所示：（）（）|（）由式（）可知，滤波器为典型的三阶线性系统，忽略滤波器各寄生电阻的影响，可得到 滤波器的传递函数，如式（）所示：（）（）（）（）（）（）下面先分析传统电容电流比例反馈有源阻尼（，）策略的谐振抑制效果，电流控制采用 控制器，结构框图如图 所示。其中，为电容电流反馈系数；（）为数字控制延时，在数字控制中它是必然存在的；（）采用的是 控制器，（）；为逆变器增益。图 数学模型 红水河 年第 期 由图 可得到传统 控制和 策略下的环路增益表达式，如式（）所示：（）（）（）（）（）自抗扰控制理论自抗扰控制 理论是韩京清学者首先提出来的。该理论主要包括扩展状态观测器、状态误差反馈率，可以提供系统良好的动态性能、稳态性能和抗干扰能力。因自抗扰控制有良好的控制性能，被成功应用于三相并网逆变器系统等控制中。文献将二阶 应用于速度控制中，解决了系统快速性和超调之间的矛盾，但并没有涉及高阶 的设计。自抗扰控制 理论具体通过安排过渡过程，取得系统的输入信号和输入信号的微分，接着通过扩展观测器 观测系统的状态，通过非线性组合控制进行控制，对观测出的总扰动，通过实时补偿起到抗扰动的作用。一般算法如式（）所示：安排过渡过程?（，）（，）（，）（）（）（）|非线性组合 ，（，）扰动补偿形成控制量|（）式中：，均为自抗扰理论的控制参数；参数 决定了过渡过程的快慢；为精度因子；为阻尼系数；为补偿因子；，则由系统的采样步长决定。基于三阶线性自抗扰的 型并网逆变器控制线性自抗扰（，）是在 的基础上发展而来的。针对 滤波器三阶系统，本文采用了三阶线性自抗扰控制策略，先选取状态变量 ，则系统的状态方程改写为?（）?（）（）?（）（）|（）为了将系统状态方程改写为级联形式，设新的变量?，?，?，则式（）可改写为?（）（）（）|（）将系统所有的扰动称为总扰动，包括系统的内部扰动和外部扰动。一般来说，数字控制延时对并网逆变器系统有着不利的影响，然而在三阶自抗扰策略中，数字控制延时作为总扰动被系统观测并给予实时补偿，使得系统稳定性不受影响，则式（）进一步可写为?（）|（）其中，（）（）将扰动 作为新的状态变量进行观测，为总扰动的微分，重新梳理状态变量如式（）所示：?，?，?，?（）记状态变量?，?，?，?通过 的观测值分别为?，?，?，?，系统的状态误差记为?。通过对四阶线性观测器增益系数、的合理选择，可实现并网系统状态的实时扰动补偿。由式（）可得四阶：?-|（）丁 欣，邱 敏，陈君霞，等：型并网逆变器的线性自抗扰控制策略研究 令?、?、?、?，由式（）可得系统的级联状态表达式：?|-|（）由图 可知，并网逆变器系统的控制对象输入为 （）当并网逆变器稳态运行时，可认为 观测出的扰动观测值 近似为 ，线性自抗扰控制可将并网逆变器系统转化为级联形式。线性自抗扰的线性组合控制环节，常常采用状态误差反馈控制率，设计为（）（）式中、分别为扰动观测器观测值相应的控制增益。为实现并网系统对参考信号的快速跟踪，根据文献的极点配置法，可对 增益和误差反馈控制增益，进行参数配置如下：，（），（）式中：为 带宽，为控制器带宽。由式（）和（）可知，三阶线性自抗扰控制增益参数配置问题可转化成 和 两个参数的设计问题，这大大降低参数设计的个数，有效解决了控制器阶数提高给并网逆变器系统带来的复杂度问题。综上设计，可得到基于三阶 的 型单相并网逆变器的控制结构，如图 所示。图 三阶线性自抗扰控制器控制框图 鲁棒分析与仿真分析 鲁棒分析为了验证本文所提三阶线性自抗扰设计的可行性和有效性，利用 仿真软件，搭建了基于反步法控制器的 型单相并网逆变器的控制模型。仿真模型参数如表 所示。表 型并网逆变器模型主要参数参数数值参数数值直流侧电压 开关频率 逆变器侧电感 电网侧电感 滤波器电容 比例系数 比例系数 反馈系数 并网电流 （半载）并网电流 （满载）观测器带宽 控制器带宽 根据 型并网逆变器模型参数表，采用零极点分析法对基于 的传统 控制策略和本文所提三阶线性自抗扰策略进行对比分析。电网阻抗 在 之间变化时的两种策略下的零极点分布如图 所示。图（）表明：在基于 的传统 策略下，当电网阻抗为 时，可得到系统的主导极点，其实部决定了系统的稳定增益；随着 的增加，闭环极点朝左移动，系统的稳定裕度得到了提高。图（）为本文所提三阶 策略下的零极点分布图，表明随着电网阻抗的增大，主导极点远离虚轴进入左半平面，并网逆变系统趋于稳定，提升了稳定裕度。通过对比图（）（）可发现，基于三阶 策略和基于 的传统电容电流反馈有源阻尼策略具有相似的稳定性、鲁棒性，且由于前者的闭环极点较后者的远离虚轴，因此前者有较好的动态性能。图 两种策略下电网阻抗 变化时鲁棒性分析 红水河 年第 期 图 表明利用三阶线性自抗扰控制，通过控制器带宽和观测器带宽参数设计，使得系统的闭环极点随着电网阻抗的增大远离虚轴，增加了稳定裕度。因此，提出的控制策略为并网逆变器系统提供了对参数变化的强鲁棒性。由于线性观测器 的存在，可以实现良好的解耦电流控制，因此不需要额外的解耦方案。仿真结果验证了该方法的有效性。一般来说，数字控制延时对并网逆变器系统有着不利的影响，然而在三阶自抗扰策略中，数字控制延时作为总扰动被系统观测并给予实时补偿，使得系统稳定性不受影响，故系统对数字控制延时也具有强鲁棒性。仿真结果分析为验证所提策略的稳态性能和动态性能，采用 进行仿真实验验证，结果如图 所示。模型参数采用表 中的数据。通过与基于 的传统 策略下的稳态仿真实验波形进行对比分析可知，在传统电容电流比例反馈有源阻尼策略下，并网电流能很好地跟踪满载时的参考值 ，并且与公共点电压 实现了同步，且电流和电压波形光滑。通过 中的 分析可知，此时并网电流的 为，小于规范中的，表明具有较好的电流质量。图 基于三阶线性自抗扰策略下的稳态仿真波形 由图 表明，在三阶线性自抗扰控制下，并网电流也能很好地跟踪满载电流 ，并且与 实现了同步。通过 中的 分析可知，此时并网电流的 为，低于基于 的传统 策略下的 值，表明所提策略提高了电流波形质量。为验证本文所提策略的动态性能，本文对两种策略进行了并网电流满载 到半载 的切换实验。在基于 的传统电容电流比例反馈有源阻尼策略下，在 时刻实行指令电流满载 到指令电流半载 的切换，并网电流和电网电压出现轻微震荡，大概经过半个周期的时间恢复光滑波形。结果表明，基于 的传统电容电流比例反馈有源阻尼策略下动态性能欠佳。图 为三阶 策略下的动态仿真波形，同样是并网电流满载 到半载 的切换。在 时刻进行了指令电流满载 切换到指令电流半载 。仿真结果表明，所提策略在满载半载切换时，入网电流切换过程迅速平稳，只用了 周期就恢复了光滑波形。以上实验结果表明采用三阶线性自抗扰控制策略具有良好的动态性能。图 基于三阶 策略的动态仿真波形 结语本文针对 型单相并网逆变器的谐振抑制问题，提出一种基于三阶线性自抗扰的并网电流控制策略。根据轨迹分析和仿真分析可知，本文所提策略具有较好的谐振抑制效果，降低了总谐波畸变率，并具有良好的动态性能和鲁棒性能。本文主要有以下几点贡献：）利用三阶线性自抗扰控制，通过控制器带宽和观测器带宽参数设计，使得系统的闭环极点随着电网阻抗的增大远离虚轴，增加了稳定裕度。因此提出的控制策略为并网逆变器系统提供了对参数变化的强鲁棒性。）因为所提自抗扰策略中，包含观测器，可以实现良好的解耦电流控制，而不需要额外的解耦方案。仿真结果验证了该方法的有效性。）一般来说，数字控制延时对并网逆变器系统有着不利的影响，然而在三阶自抗扰策略中，数字控制延时作为总扰动被系统观测并给予实时补偿，使得系统稳定性不受影响。因此，在一些低采丁 欣，邱 敏，陈君霞，等：型并网逆变器的线性自抗扰控制策略研究样频率和低开关频率的应用场景中，所提方案是一个潜在的候选方案。）本文采用极点配置法设计观测器参数和组合反馈控制参数，结果表明，为了获得良好的抗干扰性能，的高带宽是必要的。然而，通过仿真分析可知，观测器带宽的高增益将导致稳定裕度下