基于自抗扰控制的单相光伏并网逆变控制器设计

第22卷第2期北华大学学报(自然科学版)Vol.22No.22021年3月JOURNAL OF BEIHUA UNIVERSITY(Natural Science)Mar.2021文章编号:1009-4822(2021)02-0267-08DOI :10.11713/j.issn.1009-4822.2021.02.026
基于自抗扰控制的单相光伏并网逆变控制器设计
许晋飞1,刘德君2,薛若楠1
(1.北华大学电气与信息工程学院,吉林吉林㊀132021;2.北华大学工程训练中心,吉林吉林㊀132021)
摘要:传统的双环PI 控制无法满足LCL 并网逆变器电流谐波,输出电压扰动大;线性自抗扰技术可以通过线性扩张状态观测器和线性控制律对总扰动进行实时估计和补偿,大大提高并网逆变控制器的性能.为提高系统输出对电网电压扰动的抑制能力和系统的起动性能,引入电网电压前馈控制策略,提出基于自抗扰控制的电网电压前馈控制策略,采用MATLAB 软件进行仿真.仿真结果表明,基于线性自抗扰控制下的单相光伏并网控制系统可实现对入网电流的无静差跟踪,提高了系统抑制电网电压扰动的能力,入网电流的总谐波失真小.
关键词:LCL 滤波器;并网逆变器;双电流环结构;线性自抗扰控制;电网电压前馈控制
中图分类号:TM464文献标志码:A
收稿日期:2020-11-16
基金项目:吉林省教育厅科学技术研究项目(2015148).
作者简介:许晋飞(1996 ),男,硕士研究生,主要从事电力系统自动控制及非线性控制理论研究,E-mail:2295757721@;通信作者:
刘德君(1971 ),男,博士,教授,主要从事电力传动及非线性控制理论研究,E-mail:dejunliu@.
Controller Design of Single Phase PV Grid-connected Inverter Based on Active Disturbance Rejection Control
XU Jinfei 1,LIU Dejun 2,XUE Ruonan 1
(1.College of Electrical and Information Engineering ,Beihua University ,Jilin 132021,China ;2.Engineering Training Center of Beihua University ,Jilin 132021,China )Abstract :The traditional double loop PI control can not satisfy the large current harmonic and output voltage disturbance of LCL grid connected inverter,linear active disturbance rejection technology can estimate and compensate the total disturbance in real time through linear extended state observer and linear control law,which greatly improves the performance of grid connected inverse variable controller.In addition,in order to improve the ability of the system output to suppress the grid voltage disturbance and the starting performance of the system,the grid voltage feedforward control strategy is introduced.Therefore,this paper proposes the grid voltage feedforward control strategy based on active disturbance rejection control.MATLAB software is used to simulate and verify that the single-phase photovoltaic grid connected control system based on linear active disturbance rejection control can realize no steady-state error tracking of the incoming current,which improves the ability of the system to suppress the grid voltage disturbance,the total harmonic distortion of the incoming current is small.Key words :LCL filter;grid-connected inverter;double loop controller;linear active disturbance rejection controller(LADRC);grid voltage feedforward control
近年来,作为清洁能源的太阳能受到了国内㊁外学者的普遍关注.并网逆变器是单相光伏并网发电系统的主要元件之一,能够将光伏阵列产生的直流电逆变转换为交流电,从而实现光伏并网发电系统准同步并网或同步并网[1],而其控制技术的优劣直接影响到系统入网电流的电能质量,因此,研究逆变器的并网控制技术具有重要的现实意义.针对光伏发电系统存在的并网功率波动大㊁谐波含量高㊁系统稳定性差等问题,学者们开展了深入研究,提出了双电流环控制结构[2]㊁线性自抗扰控制的有源阻尼方法[3]㊁基于准
PR 控制器的陷波滤波器控制策略[4]㊁电网电压比例前馈控制策略[5]等控制方法.本研究在分析LCL 单相光伏并网逆变控制系统原理的基础上,将系统的电流外环引入线性自抗扰控制器,并将其与电网电压前馈控制相结合,设计一个以三阶线性自抗扰控制器为基础的控制系统,实现对入网电流的快速无静差跟踪,对扰动的抑制能力更强;根据并网逆变系统元件参数,对LCL 滤波器参数的设计进行详细分析,并通过MATLAB 仿真对控制系统抑制电网电压波动的性能进行验证.1㊀系统结构及数学模型
LCL 型单相光伏并网逆变器控制系统结构见图1.其中:VT 1~VT 4为绝缘栅双极型晶体管;L 1㊁L 2㊁C 分别为LCL 型逆变器的逆变侧电感㊁网侧电感和交流侧滤波电容;U dc ㊁u 分别为直流输入电压和逆变器的输出电压;i 1㊁i 2㊁i c 为逆变器侧电感电流㊁并网侧电感电流和电容电流;U PCC 为网侧测量公共耦合点电压,
用于锁相环和电网电压前馈控制
.图1LCL 型单相光伏并网逆变器控制系统结构Fig.1Structure of LCL single phase PV grid-connected inverter control system 由图1LCL 逆变系统的拓扑结构可推导出逆变器
输出电压u 到并网侧电感电流i 2的传递函数:
G (s )=I 2(s )U (s )=1L 1L 2Cs 3+L 1+L 2()s .(1)
由式(1)可知,由LCL 滤波器组成的系统为三阶系
统,其发生谐振时的频率为
f =12πL 1+L 1L 1L 2C
.由于引入无源阻尼电阻会使系统产生很大的损耗,因此,本文设计的控制系统采用双闭环控制结构
:内环采用电容电流反馈的有源阻尼控制,不仅可以有
效降低LCL 滤波器的谐振尖峰,而且不产生附加损耗;
外环采用线性自抗扰进行控制.双闭环控制系统数学模型见图2.
图2电流双闭环控制结构Fig.2Control structure of current double closed loop
㊀㊀由图2可推导出外环控制器由输出i ∗c 到入网电流i 2的系统开环传递函数:
G A =G c 2G INV G 1G 2G 31+G 1G 2+G 2G 3+G c 2G INV G 1,(2)
其中:G 1=1/(sL 1),G 2=1/(sC ),G 3=1/(sL 2),逆变桥近似为G INV =k PWM =380,内环通常采用比例控制器,能够提高系统的动态性能,设G c2=k c .
则式(2)可以化简为
G A (s )=k c k PWM L 1L 2Cs 3+k c k PWM L 2Cs 2+(L 1+L 2)s .
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2㊀LCL 滤波器参数选取为了抑制逆变器等非线性负载工作时产生的谐波,降低入网电流的总谐波失真(total harmonic disto-rtion,THD),需要在逆变器的终端添加一个三阶LCL 滤波器.由于滤波器参数的选择会直接影响到系统的稳定性,因此,研究系统中LCL 滤波器的参数具有重要意义.本文设计系统中的元件参数见表1.表1㊀系统元件参数Tab.1㊀System component parameters 参量数值
电网电压U g /V 220电网频率f g /Hz 50开关频率f s /kHz 20
直流侧电压U dc /V 400系统容量P n /(kV㊃A)3逆变侧电感参数L 1的大小与纹波电流和系统功耗有关.一般情况下,规定电流纹波为额定电流的10%~
20%,本文按照20%的电流纹波进行电感值计算.L 1ȡU dc 7f s I n ˑ20%.式中:I n 为相电流的额定值.
滤波电容C 的大小与系统容量㊁谐振频率有关.
如果滤波电容C 较大,则流过其他器件的电流将较
大,从而增加系统损耗,降低整个系统效率;如果滤波电容C 较小,则LCL 系统要实现相同的滤波效果,电感值会较大.
C ɤ5%ˑP n 6πfU 2g
.网侧电感L 2由LCL 滤波器系统整体性能决定.文献[6]已经证明了逆变侧电感L 1决定输出电流纹波
的大小;网侧电感L 2和滤波电容C 对高频电流起到分流作用,滤波电容给高频分量提供了一个低阻通道.为了保障系统具有良好的分流效果,需要满足X c <X L 2ˑ20%.综上所述,系统使用的LCL 滤波器参数分别为L 1=3.3mH,L 2=2mH,C =5μF .
3㊀系统控制器设计3.1㊀线性自抗扰控制器设计
LADRC 是一种不依赖于被控对象模型的新型控制技术,将外部扰动和内部动态参数变化的总扰动视
为一个状态,利用线性扩张状态观测器对其进行实时观测和补偿,结合特殊的线性控制律实现良好控制,具有超调小㊁响应速度快㊁控制精度高㊁抗干扰能力强等特点[7].由于高阶线性自抗扰跟踪速度更快,抑制扰动的能力更强,且适用于扰动较大的低频系统[8],因此,本文以三阶线性自抗扰为例进行设计.LADRC 控制器结构见图
3.图3LADRC 控制器结构Fig.3Structure of LADRC controller
由图3可见,自抗扰控制器基本结构是由线性扩张状态观测器(LESO)㊁线性误差反馈控制率(LSEF)㊁补偿扰动3种功能组合而成[9-10].以三阶系统为例,其被控系统可以描述为y‴=f (y ,yᶄ,yᵡ,ω,t )=-a 2yᵡ-a 1yᶄ-a 0y +ω+bu ,(3)式中:u ㊁y 分别为对象输入与输出;ω为对象扰动;a 1㊁a 2㊁a 3为系数,其值未知;b 为正的输入增益,其值未
962第2期许晋飞,等:基于自抗扰控制的单相光伏并网逆变控制器设计
知,但是有标称值b 0>0.
式(3)可以改写成y‴=-a 2yᵡ-a 1yᶄ-a 0y +ω+(b -b 0)+b 0u =f +b 0u .
(4)线性扩张状态观测器LESO 和线性误差反馈控制率LSEF 的表达式见式(5)与式(6).LESO Zᶄ1=Z 2+β1(y -Z 1),Zᶄ2=Z 3+β2(y -Z 1),Zᶄ3=Z 4+β3(y -Z 1)+b 0u ,Zᶄ4=β4(y -Z 1),ìîí(5)
式中:β1㊁β2㊁β3㊁β4为张状态观测器参数;Z 1为对系统输出y 的估计值;Z 2为对系统输出y 的一次微分估计值;Z 3为对系统输出y 的二次微分估计值;Z 4对系统总扰动f 的估计值.
LSEF u 0=k 1(r -Z 1)-k 2Z 2-k 3Z 3,u =u 0-Z 4b 0,ìîí(6)
式中:k 1㊁k 2㊁k 3分别为线性控制组合的控制参数.
3.2㊀电网电压前馈控制在外环控制器为线性自抗扰的基础上,为提高系统的抗干扰能力,确保并网电流满足并网标准,需要抑制电网电压波动对系统输出的影响.目前,抑制电网电压波动的方法主要分为两大类:一类是通过增大基波或者谐波频率处的环路增益来提高系统的稳定性;另一类是采用电网电压前馈控制策略.本研究采用电网电压前馈控制策略,不仅可以抑制入网电流中的多种谐波含量,而且控制器结构相对简单,不影响光伏发电系统中入网电流环路增益,可以有效减少并网电流的稳态误差[11-12].系统电网电压前馈控制策略见图
4.
图4系统电网电压前馈控制策略Fig.4Control strategy of system grid voltage feedforward
结合线性误差反馈控制律(式6),可以将系统简化为图5所示的等效模型
.
图5系统等效模型Fig.5System equivalent model
㊀㊀通过系统等效模型可将系统简化为图6所示的等效模型.其中,G x 1和G x 2的传递函数如下:
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图6电网电压前馈控制等效模型Fig.6Equivalent model of grid voltage feedforward control G x 1=
k PWM G 1G 2G c 1G c 21+G 1G 2+G 1G c 2k PWM ,G x 2=G 3+G 1G 2G 3+G 1G 3G c 2k PWM 1+G 1G 2+G 2G 3+G 1G c 2k PWM
.根据图6可得到并网电流的表达式i 2=G x 1G x 21+G x 1G x 2H i ∗2-G x 21+G x 1G x 2H u g .(7)
由式(7)可以看出,电网电压u g 的基波分量会造成入网电流i 2与其参考信号之间存在稳态误差,若谐波分量过多则会造成入网电流发生畸变.因此,需要在电网电压u g 和i 2之间引入一条传递函数为G f 的支路,这样就可以完全消除u g 对i 2的影响.
G f =
1k PWM
+CH i s +L 1C k PWM s 2,(8)式中:H i 为一次微分项的参数.由式(8)可见,单相LCL 并网逆变器的电网电压前馈函数由比例项㊁一次微分项和二次微分项3项组成[11].由于所设计的系统中电网电压主要含有低次谐波,电网电压比例前馈足以消除电网电压对并网电流的影响,因此,可将前馈函数简化为
G f =1k PWM
.
4㊀仿真试验为了检验所提出的基于线性自抗扰控制的电网电压前馈控制策略的性能,根据图4的系统结构搭建仿真模型,并与传统的双环PI 控制器进行对比.系统元件参数见表1,其中,逆变器采用单极性倍频SPWM 调制.
表2㊀LADRC 控制器参数Tab.2㊀Parameters of LADRC controller LESO 参数LSEF 参数b 0=1010β1=7ˑ105k 1=5ˑ1010β2=4ˑ109k 2=4ˑ106β3=1.9ˑ1013k 3=1800β4=4ˑ1016若系统为传统的比例-积分双环控制,由文献[13]可知,其内㊁外环控制器电流内环比例控制器参数k c =0.15;电流外环PI 控制器参数k p =0.75,T i =0.418.若系统为LADRC-PI 双环控制,则其电流内环比例控制器k c =0.15;外环LADRC 控制器参数见表2.
传统比例-积分双环控制与LADRC-PI 双环控制
入网电流的对比波形(无前馈)见图7,入网电流谐波分析(无前馈)见图8,入网电流幅值和畸变率(无前
馈)对比见表
3.图7入网电流波形对比(无前馈)Fig.7Comparison of incoming current waveform (without feedforward )
172第2期
许晋飞,等:基于自抗扰控制的单相光伏并网逆变控制器设计
图8入网电流谐波分析(无前馈)Fig.8Harmonic analysis of incoming current (without feedforward )
表3㊀入网电流参数对比(无前馈)Tab.3㊀Comparison of network current parameters
(without feedforward )
控制器
幅值/A
THD /%PI-PI 6.3890.75LADRC-PI 6.4800.
19图9电网电压u g 波形Fig.9u g waveform of power grid voltage
㊀㊀仿真结果表明:与传统的比例-积分双环控制策略相比,LADRC-PI 双环控制策略解决了传统PI 控制器在对电流信号跟踪时难以实现无静差控制的问题.LADRC-PI 双环控制的系统入网电流畸变率明显减小,电流曲线光滑无毛刺,谐波含量大大减少,可以实
现对入网电流信号的无静差跟踪,并且具有动态性能
好㊁抗扰动能力强的特点,入网电流的电能质量得到
了明显改善.
在与LADRC-PI(无前馈)控制器具有相同控制
器参数的基础上,引入电网电压前馈控制策略.为了
检验该控制策略对系统电网电压扰动的抑制作用,电
网电压u g 在0.04秒时加入5sin(ωt )的基波电压扰
动,在0.1秒时加入10sin(ωt )的基波电压扰动.电网
电压u g 的波形见图9,LADRC-PI 双环控制(无前馈)
与LADRC-PI 双环控制(有前馈)入网电流的波形对
比(有前馈)见图10,入网电流谐波分析见图11㊁图12,入网电流幅值和电流畸变率(有前馈)对比见表
4.图10入网电流波形对比(有前馈)Fig.10Comparison of current waveforms of network access (with feedforward )
表4㊀入网电流参数对比(有前馈)Tab.4㊀Comparison of network current parameters (with feedforward )
控制器
扰动幅值/A THD /%LADRC-PI LADRC-PI +前馈5sin(ωt ) 6.4846.4810.770.30LADRC-PI LADRC-PI +前馈10sin(ωt ) 6.5046.491 3.481.94
272北华大学学报(自然科学版)第22卷
图11扰动为5sin (ωt )时入网电流谐波分析Fig.11Harmonic analysis of incoming current when the disturbance is 5sin (ωt
)
图12扰动为10sin (ωt )时入网电流谐波分析Fig.12Harmonic analysis of incoming current when the disturbance is 10sin (ωt
)
图13电容电流波形Fig.13Waveform of capacitance current ㊀㊀由图10~12和表4可见,当系统的电压扰动为5sin(ωt )时,有前馈和无前馈的系统波形都满足入网需要,但有前馈的控制系统电流畸变率仅为0.30%,入网
电流的电能质量更好;当系统的电压扰动较大(10sin (ωt ))时,无前馈的控制系统已经难以实现无静差跟踪,围绕参考电流上㊁下波动,而有前馈的控制系统可
以更好地抑制电网电压波动,跟踪过程中没有稳态
误差.
系统为LADRC-PI 双环控制(有前馈)时的电容电
流波形见图13,电流波形的相位误差见图14.由图14
可见,基于线性自抗扰控制的电网电压前馈控制策略系统可以实现并网电流与电网电压的同频同相,符合
国家电能质量的并网标准
.图14线性自抗扰控制下电流波形的相位差Fig.14Phase difference of current waveform under linear active disturbance rejection control
3
72第2期许晋飞,等:基于自抗扰控制的单相光伏并网逆变控制器设计
472北华大学学报(自然科学版)第22卷5㊀小㊀㊀结
针对单相光伏并网逆变系统,本文提出了一种基于线性自抗扰控制的电网电压前馈控制策略,通过仿真验证了该控制策略的正确性和可靠性.仿真结果表明,该策略不仅能够实现对入网电流的无静差跟踪,而且还能够有效改善入网电流的畸变率,提高系统的抗扰动能力.另外,该控制策略不需要准确的数学模型,极大地提高了并网电能质量和并网系统的可靠性,体现了该控制算法作用于光伏并网系统的优越性.但本文仅对单相光伏并网发电系统进行了设计,并未研究更深层次的三相光伏并网发电系统,今后将在这方面进行深入研究.
参考文献:
[1]张兴,曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京:机械工业出版社,2010.
[2]易桂平,黄慧春,胡仁杰.基于LCL输出滤波器的双环控制并网逆变器研究[J].太阳能学报,2016,37(1):40-46.
[3]吕勤,王金跃,周竹菁.LCL滤波并网逆变器的自抗扰控制[J].电力电子技术,2020,54(1):5-9.
[4]李彦哲,保婷婷.三相LCL光伏并网逆变器的新型入网控制策略[J].控制工程,2018,25(8):1511-1515.
[5]XIE Shaojun,XU Jinming,TANG Ting.Improved control strategy with grid-voltage feedforward for LCL-filter-based inverter connected to weak grid[J].IET Power Electronics,2014,7(10):2660-2671.
[6]仇志凌.基于LCL滤波器的三相三线并网变流器若干关键技术研究[D].杭州:浙江大学,2009.
[7]韩京清.自抗扰控制技术:估计补偿不确定因素的控制技术[M].北京:国防工业出版社,2008:207-211.
[8]张茜丹,尹达一.自抗扰控制器在高阶系统中仿真实现[J].航天控制,2018,36(1):3-7,13.
[9]韩京清.自抗扰控制技术[J].前沿科学,2007(1):24-31.
[10]高志强.自抗扰控制思想探究[J].控制理论与应用,2013,30(12):1498-1510.
[11]阮新波,王学华,潘冬华.LCL型并网逆变器的控制技术[M].北京:科学出版社,2015.
[12]于文倩,同向前,燕聪,等.提高弱电网下LCL型并网逆变器稳定性的改进电网电压前馈策略[J].电气工程学报,
2019,14(2):79-85.
[13]王亮,王志新,陆斌锋,等.基于LCL滤波器的单相光伏并网逆变控制器设计[J].电网与清洁能源,2014,30(12):
114-118.
ʌ责任编辑:郭㊀伟ɔ。