0 引言

    單相能饋式電力電子負(fù)載的通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅適用于模擬負(fù)載，其逆變并網(wǎng)結(jié)構(gòu)也是新能源并網(wǎng)的主要組成部分。逆變并網(wǎng)系統(tǒng)及其控制技術(shù)也是目前新能源發(fā)電領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一^[1-4]。為解決并網(wǎng)電流畸變問題提出來的電流環(huán)帶通調(diào)節(jié)器，可有效抑制并網(wǎng)指令電流中的諧波量，是提高并網(wǎng)電能質(zhì)量的方案之一^[5，10]。但BP調(diào)節(jié)器無法有效抑制電流環(huán)前向通道的擾動(dòng)對并網(wǎng)輸出電流的擾動(dòng)，尤其是非線性死區(qū)擾動(dòng)對并網(wǎng)電流的干擾更是無法解決，因此引入線性定常擾動(dòng)觀測器前饋控制方法^[6-8]，其是解決非線性系統(tǒng)或帶有非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)以及多輸入多輸出耦合系統(tǒng)的線性解耦控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制模型

    圖1為單相電力電子負(fù)載(Single-phase Power Electronics Load，SPEL)主電路圖，整流側(cè)和逆變側(cè)獨(dú)立控制，逆變并網(wǎng)系統(tǒng)的控制目標(biāo)為穩(wěn)定直流母線電壓和單位功率因數(shù)并網(wǎng)^[12]，且盡量減小并網(wǎng)電流諧波總畸變率(Total Harmonic Distortion，THD)。逆變側(cè)采用如圖2所示的雙閉環(huán)控制策略的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

    圖1中u_s1是被測電源電壓，i_s1是被測電源電流，u_s2是電網(wǎng)電壓，i_s2是并網(wǎng)電流。T₁~T₄是整流側(cè)開關(guān)管，L₁是濾波電感；T₅~T₈是逆變側(cè)開關(guān)管，L和C組成差模濾波器；C_d是直流母線電容。

    圖2中是母線電壓指令，U_dc是母線實(shí)際電壓，e_v是電壓誤差，GV(s)是電壓調(diào)節(jié)器，是并網(wǎng)電流指令峰值，is2是并網(wǎng)電流，是并網(wǎng)電流指令，e_i是并網(wǎng)電流的誤差，G_i(s)是電流調(diào)節(jié)器，k_s是逆變器增益，τ_s是一階慣性時(shí)間常數(shù)，I_d是母線電容與逆變器之間的直流側(cè)平均電流，k_d是從并網(wǎng)電流峰值到直流側(cè)電流的傳輸系數(shù)，u_s2是電網(wǎng)電壓。

    f_b是電網(wǎng)的基波頻率，為追求跟蹤效果，需足夠大的交越頻率f_ci；同時(shí)要求高頻濾波效果好，差模濾波頻率f_LC越小于載波頻率f_c越好；但為避免頻帶內(nèi)諧波在f_LC附近被放大，要求f_LC離f_ci較遠(yuǎn)；而f_b與f_c之間的頻帶是固定的。由圖3可知設(shè)計(jì)f_ci和f_LC時(shí)矛盾，系統(tǒng)頻帶資源分配緊張。故存在兩個(gè)問題：(1)抑制并網(wǎng)電流中的諧波；(2)電流環(huán)設(shè)計(jì)頻帶分配緊張?；诖颂岢鯞P調(diào)節(jié)器。

2 BP調(diào)節(jié)器

    根據(jù)被控對象要求，整個(gè)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)器之后呈現(xiàn)帶通特性，故稱為帶通調(diào)節(jié)器,在基波頻率處增加一個(gè)二階諧振環(huán)節(jié)增大基波增益。BP調(diào)節(jié)器系統(tǒng)只響應(yīng)系統(tǒng)頻帶內(nèi)的基波頻率，抑制所有閉環(huán)系統(tǒng)頻帶之外的諧波分量，且頻帶很窄，緩解電流環(huán)頻帶分配緊張，圖4為電流環(huán)控制框圖。

    BP調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)為：

    BP調(diào)節(jié)器對應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)Bode圖如圖5。參數(shù)為k_s=0.5，τ_s=0.000 05 s，L=10 mH。

    由圖5可知，閉環(huán)系統(tǒng)均呈現(xiàn)帶通特性,閉環(huán)系統(tǒng)相角在基波附近范圍內(nèi)變化較快。離BP調(diào)節(jié)器諧振頻率越遠(yuǎn)，BP調(diào)節(jié)器對其衰減越大，抑制能力越強(qiáng)。BP調(diào)節(jié)器只響應(yīng)電流基波，對前向通道中的擾動(dòng)無調(diào)節(jié)能力。對此提出擾動(dòng)觀測器方法，通過分析推導(dǎo)，設(shè)計(jì)出狀態(tài)觀測器對擾動(dòng)進(jìn)行觀測，并通過前饋補(bǔ)償將前向通道的擾動(dòng)量共同進(jìn)行觀測后全補(bǔ)償。

3 擾動(dòng)觀測器方法

3.1 擾動(dòng)觀測器方法的原理

    如圖6所示，系統(tǒng)原有被控對象Σ_P是可解耦的,尋找理想目標(biāo)模型Σ_I，它具有期望的對Σ_P施控后的解耦輸入輸出特性。

    對于任意輸入函數(shù)u，都存在擾動(dòng)Δ，當(dāng)把Δ加到Σ_I后，則Σ_I的輸出和Σ_P的輸出從外部看是完全等價(jià)的，則Δ和Σ_I被稱為原被控對象的替代模型，記為Σ_S。

    設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測器Σ_O對Σ_S的狀態(tài)觀測的值記為。觀測器的頻帶遠(yuǎn)大于擾動(dòng)的頻帶時(shí)，就是Δ的漸近估值。設(shè)計(jì)前饋控制器Σ_C對擾動(dòng)采用前饋補(bǔ)償，施加控制后Σ_S與Σ_I的輸入輸出特性相同。再將Σ_C移植到Σ_P，施控后的被控對象輸入輸出特性與目標(biāo)模型相同。把Σ_I設(shè)計(jì)成解耦，則Σ_P也是解耦的，達(dá)到解耦控制。采用該方法實(shí)施解耦控制完全在線性系統(tǒng)范圍內(nèi)，與被控對象本身是線性或非線性無關(guān)。

3.2 擾動(dòng)觀測器方法在電流環(huán)中實(shí)現(xiàn)

    按照擾動(dòng)觀測器方法的理論結(jié)合電流環(huán)被控對象與擾動(dòng)的位置，設(shè)計(jì)BP調(diào)節(jié)器的控制框圖如圖7。將逆變器模型、濾波電感及電網(wǎng)電壓共同作為被控對象Σ_P。

    死區(qū)和母線電壓波動(dòng)都包含在逆變器中，電網(wǎng)電壓及諧波屬于外部干擾。原被控對象中含有的擾動(dòng)量被消除，電流環(huán)前向通道中只剩下期望的被控對象。綜上，采用擾動(dòng)觀測器方法設(shè)計(jì)電流環(huán)消除前向通道擾動(dòng)的控制方案，僅在線性系統(tǒng)理論范圍內(nèi)設(shè)計(jì)，與含有擾動(dòng)的被控對象的實(shí)際模型無關(guān)，不需要對被控對象中擾動(dòng)量精確計(jì)算。

3.3 等效擾動(dòng)觀測器設(shè)計(jì)

    等效擾動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)包括：理想目標(biāo)模型的選擇、替代模型的建立、狀態(tài)模型的擴(kuò)充、擾動(dòng)觀測器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)^[9]。根據(jù)電流環(huán)前向通道中三個(gè)環(huán)節(jié)的形成原因與位置，選擇期望系統(tǒng)模型的傳遞函數(shù)降階后為：

其中A₁=[0]，B₁=[ b₀]，C₁=[1]。

    在Σ_I上施加Δ后，并將Δ擴(kuò)充為狀態(tài)量到替代模型為：

    系統(tǒng)為額定狀態(tài)時(shí)，b₀=k_s/L=50，期望極點(diǎn)s₁、s₂分別取為-20 000、-20 000，代入?yún)?shù)后，得擾動(dòng)觀測器為：

    BP調(diào)節(jié)器電流環(huán)通過電壓外環(huán)設(shè)計(jì)改善內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性。整個(gè)系統(tǒng)功率守恒^[12]，電壓環(huán)可以補(bǔ)償內(nèi)環(huán)的幅值衰減。電流環(huán)等效為一階慣性環(huán)節(jié)，時(shí)間常數(shù)τ_i=0.02 s，衰減系數(shù)k_i=0.9，設(shè)計(jì)電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器，根據(jù)實(shí)際參數(shù)得k_d=0.39。將電壓環(huán)設(shè)計(jì)為近似典型II型系統(tǒng)，電壓調(diào)節(jié)器為：

4 系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    在Matlab/Simulink下進(jìn)行仿真。參數(shù)如下：母線電壓中直流量為400 V，且含有10%的2次波動(dòng)電壓；并網(wǎng)電壓峰值為311 V，且含有3%的同相位3次諧波；并網(wǎng)電流指令基波為5sinωt，并且含有20%的3次同相位諧波，死區(qū)時(shí)間為1 μs。

    由圖9可知，結(jié)合BP調(diào)節(jié)器和觀測器的電流環(huán)系統(tǒng)，抑制電流指令中的諧波，并且消除前向通道擾動(dòng)對反饋電流的影響。對比可知，is2能夠準(zhǔn)確跟蹤基波分量，系統(tǒng)相位跟蹤嚴(yán)格為0°。

    在樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，參數(shù)與仿真一致，BP調(diào)節(jié)器和觀測器算法與仿真完全相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10。

    從圖10中可知，反饋電流3、11、13 次諧波含量較高。3次諧波主要是并網(wǎng)電流指令中的諧波未被BP調(diào)節(jié)器系統(tǒng)完全抑制，經(jīng)計(jì)算為0.87%。而11、13高次諧波主要是由于采用線電壓并網(wǎng)，電網(wǎng)中高次諧波含量較大，高次諧波由于頻帶較寬不易通過此條件下的觀測器前饋補(bǔ)償。圖10與仿真結(jié)果相比，并網(wǎng)電流畸變稍嚴(yán)重，THD值比仿真略高，符合非理想器件造成的誤差。

    實(shí)驗(yàn)表明，針對BP調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)系統(tǒng)，通過擾動(dòng)觀測器的前饋補(bǔ)償方案，有效地將電流環(huán)中的前向通道擾動(dòng)進(jìn)行了補(bǔ)償，大大減小了并網(wǎng)輸出電流的諧波含量。與仿真、理論分析結(jié)果保持一致。

5 結(jié)論

    對電子負(fù)載逆變側(cè)電流環(huán)BP調(diào)節(jié)器控制策略進(jìn)行分析，可知此方法無法消除電流環(huán)中的前向通道擾動(dòng)?；诖颂岢鯞P調(diào)節(jié)器結(jié)合擾動(dòng)觀測器用于能饋式SPEL逆變側(cè)的控制策略，有效解決BP調(diào)節(jié)器帶來的不足。擾動(dòng)觀測器方法對于解決含有非理想擾動(dòng)的控制系統(tǒng)中，對消除擾動(dòng)有良好的作用，完全基于線性系統(tǒng)理論，實(shí)現(xiàn)基于軟件算法，節(jié)省硬件資源。仿真和實(shí)驗(yàn)都驗(yàn)證了該策略能有效抑制逆變并網(wǎng)的電流諧波，對提高并網(wǎng)電能的質(zhì)量有一定的實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾正.可再生能源分散接入用先進(jìn)并網(wǎng)逆變器研究綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(24)：1-12.

[2] RYAN M J，LORENZ R D．A synchronous-frame controller for a single-phase sine wave inverter[C].IEEE APEC．Vancouver：IEEE，1997：813-819．

[3] 趙清林，郭小強(qiáng)，鄔偉揚(yáng)．單相逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(16)：60-65．

[4] ZENG Z，YANG H，CHENG C，et al．Harmonic and reactive currents sharing by multi-functional grid-connected inverters in a micro-grid[C].Proceeding of IEEE International Conference on Electrical Machines and Systems．Sapporo，Japan：IEEE，2012：1-6．

[5] 陳增祿，班培剛，史強(qiáng)強(qiáng)．抑制并網(wǎng)逆變器電流諧波的帶通調(diào)節(jié)器研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(6)：1706-1712．

[6] 陳良．基于擾動(dòng)觀測器的非線性系統(tǒng)線性控制方法研究[D]．蘭州：蘭州交通大學(xué)，2013．

[7] 馬鑫．等效擾動(dòng)前饋非線性解耦方法在交流調(diào)速中的應(yīng)用研究[D]．西安：西安工程大學(xué)，2013．

[8] 錢慧芳，陳增祿，馮智．一種非線性系統(tǒng)的線形定?？刂品椒ǚ抡嫜芯縖J]．西安工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19(3)：354-357．

[9] 王孝武．現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)(第二版)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

[10] KHADEM S K，BASU M，CONLON M F．Power quality in grid connected renewable energy systems role of custom power devices[C].Proceeding of International Conference on Renewable Energy and Power Quality．Granada，Spain：ICREPQ，2010：1-6．

[11] 張興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[12] 黃朝霞.單相電力電子負(fù)載關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.