CN109004669A - 基于干扰观测器补偿的三相并网逆变器改进无源控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于干扰观测器补偿的三相并网逆变器改进无源控制方法，涉及并网逆变器技术领域，包括：(1)逆变器并网电流和PCC点电压进行采样，并进行abc/dq变换；(2)d轴和q轴指令值计算；(3)电流内环无源控制器对d轴和q轴电流控制；(4)采用干扰观测器得到逆变器输出电压补偿值；(5)PWM驱动脉冲生产。本发明中，利用无源控制理论设计了并网逆变器的电流跟踪控制器，控制器鲁棒性强，动态响应快，设计简单，通过干扰观测器进行输出补偿，有效地抑制了参数摄动、未建模误差及扰动等不确定因素对系统的稳态/动态响应特性的影响，从而提高了控制器鲁棒性。

Description

基于干扰观测器补偿的三相并网逆变器改进无源控制方法

技术领域

本发明属于并网逆变器技术领域，更具体地，涉及一种基于干扰观测器补偿的三相并网逆变器改进无源控制方法。

背景技术

随着光伏、风能等分布式新能源渗透率不断提高，并网逆变器是分布式新能源发电设备连接交流配电网的必要接口设备。为了改善并网电流的质量，逆变器与配电网之间通常需要串入滤波器，常采用单电感L滤波器。在并网逆变器运行过程中，控制器的主要任务是实现对指令信号的快速、稳定、精准跟踪，此外，为了满足不同运行工况的需求，要求控制器具有较强的鲁棒性能，能应对运行工况频繁变化及系统的随机扰动。基于经典控制理论的PI控制器在工程实际中应用最为广泛，但存在运行工况与系统扰动下适应性较差的问题。事实上，并网逆变器是一个强耦合、非线性、多变量系统，为改善并网逆变器性能，多种典型的先进控制技术被引进，如模型预测控制、重复控制、滑模控制、无源控制等。

无源控制技术依赖被控对象的精确数学模型，在参数摄动、未建模误差及扰动等不确定因素下，会对系统的运行平衡点产生影响，从而影响控制器的性能，虽可通过增大注入阻尼减少稳态误差，但该方法并不能完全消除误差。因此，诸多研究致力于对无源控制稳/动态性能的改进。公开号为CN108021719A的中国发明专利通过采用积分补偿的无源控制方法消除稳态误差，并同时保持系统全局稳定，但由于引入了积分器，导致控制器的动态响应特性较差。公开号为CN108021719A的中国发明专利利用阻尼注入方法设计了电流反馈无源控制器，通过积分滑模面的设计消除普通滑模的到达阶段，提高了跟踪速度和鲁棒性，但该方法存在滑模面选取困难、无法完全消除外部扰动的影响。公开号为CN102868309A的中国发明专利将重复控制与无源控制组成复合控制器，对周期性的干扰进行抑制，但是该方法无法完全消除系统的参数摄动和未建模误差的影响。公开号为CN106130043A的中国发明专利设计了基于情感智能及无源性理论的双闭环控制方法，但是该方法计算量大，实现困难。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于干扰观测器补偿的三相并网逆变器改进无源控制方法，由此解决现有无源控制技术依赖被控对象的精确数学模型，在参数摄动、未建模误差及扰动等不确定因素下，会对系统的运行平衡点产生影响，从而影响控制器性能的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于干扰观测器补偿的三相并网逆变器改进无源控制方法，包括：

(1)将并网逆变器PCC点三相电压通过abc/dq坐标变换得到PCC点电压在dq坐标系的分量，将并网逆变器三相输出电流通过abc/dq坐标变换得到并网电流在dq坐标系的分量；

(2)将直流电压值与参考指令值之差进行PI控制得到的d轴有功电流与逆变器期望的输出有功电流之和作为d轴参考值，将逆变器期望输出的无功电流作为q轴参考值；

(3)将并网电流在dq坐标系的分量、所述d轴参考值及所述q轴参考值送入无源控制器得到无源控制器输出电压指令值；

(4)将并网电流在dq坐标系的分量和所述无源控制器输出电压指令值送入干扰观测器控制单元得到输出电压补偿值，将所述无源控制器输出电压指令值减去干扰观测器得到的所述输出电压补偿值得到逆变器输出电压的指令值；

(5)将所述逆变器输出电压的指令值输入PWM调制器得到并网逆变器的驱动脉冲控制逆变器工作。

优选地，在步骤(1)中采用的abc/dq坐标变换公式为：其中，ω表示电网工频角频率。

优选地，步骤(2)包括：

(2.1)由得到d轴有功电流Δi_dref，其中，u_dc为直流电压值，u_dcref为参考指令值，k_pdc为PI控制器比例系数，k_idc为为PI控制器积分系数，s为拉普拉斯算子；

(2.2)由确定逆变器期望的输出有功电流的d轴电流值，由确定逆变器期望输出的无功电流的q轴电流值，其中，u_sd为PCC点电压在d轴的分量，i_pd为d轴有功电流分量，i_qq为q轴无功电流分量；

(2.3)由i_dref＝i_pd+Δi_dref确定电流内环控制器的d轴参考值i_dref，由i_qref＝i_qq确定电流内环控制器的q轴电流参考值i_qref。

优选地，步骤(3)包括：

由得到无源控制器输出电压指令值的d轴分量u_d和q轴分量u_q，其中，L_n为滤波器标称电感值，R_n为滤波器等值标称电阻值，r_d为注入阻尼，i_d为并网电流d轴分量，i_q为并网电流q轴分量，u_sd为PCC点电压在d轴的分量，u_sq为PCC点电压在q轴的分量。

优选地，步骤(4)包括：

(4.1)由得到输出电压补偿值的d轴分量Δu_d和q轴分量Δu_q，其中，τ为一阶低通滤波器的截止频率；

(4.2)由引入d轴解耦补偿项Δu_ddec和q轴解耦补偿项Δu_qdec，以实现d轴和q轴电流解耦控制；

(4.3)由得到逆变器输出电压指令值的d轴分量u_dref和q轴分量u_qref。

优选地，步骤(5)包括：

将逆变器输出电压的指令值u_dref和u_qref输入PWM调制器得到并网逆变器的驱动脉冲控制逆变器工作。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提出了一种基于干扰观测器补偿的三相并网逆变器改进无源控制方法，通过建立并网逆变器的欧拉-拉格朗日方程，配置系统的能量和注入虚拟阻尼，使得系统总能量跟踪期望的能量函数，实现了并网逆变器指令电流跟踪，设计的控制律是全局稳定的，控制器设计简单，动态响应快，鲁棒性强；

2、本发明通过干扰观测器进行输出补偿，弥补了传统无源控制对被控对象的精确数学模型依赖的不足，有效地抑制了参数摄动、未建模误差及扰动等不确定因素对系统的稳态/动态响应特性的影响，从而提高了无源控制器鲁棒性，可应用于工程实践当中。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于干扰观测器补偿的三相并网逆变器改进无源控制方法的实现示意图；

图2为本发明实施例提供的一种d轴和q轴闭环传递函数零极点图；

图3为本发明实施例提供的一种并网逆变器期望输出电流幅值I_dref＝20A，I_qref＝20A时的A相相电压、相电流和dq轴电流波形图，其中，(a)为A相PCC点电压和逆变器输出电流，(b)为逆变器输出d轴电流，(c)为逆变器输出q轴电流；

图4为本发明实施例提供的一种并网逆变器d轴指令电流I_dref＝20A突变I_dref＝40A时A相相电压、相电流和dq轴电流波形图，其中，(a)为无干扰观测器补偿的逆变器输出d轴电流，(b)为无干扰观测器补偿的逆变器输出q轴电流，(c)为有干扰观测器补偿的逆变器输出d轴电流，(d)为有干扰观测器补偿的逆变器输出q轴电流。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于干扰观测器补偿的三相并网逆变器改进无源控制方法，在并网逆变器的欧拉-拉格朗日方程的数学模型和严格无源性基础上，构建误差能量方程，从而得到并网逆变器无源控制规律，采用干扰观测器消除系统参数摄动、未建模误差和外部扰动的影响，提高系统稳/动态性能。

如图1所示为本发明实施例提供的一种基于干扰观测器补偿的三相并网逆变器改进无源控制方法实现示意图，本发明的方法包括：逆变器并网电流和PCC点电压进行采样，并进行abc/dq变换；d轴和q轴指令值计算；电流内环无源控制器对d轴和q轴电流控制；采用干扰观测器得到逆变器输出电压补偿值；PWM驱动脉冲生产。具体实施步骤如下：

S1：通过电压传感器采集并网逆变器PCC点三相电压u_sabc，通过电流传感器采集并网逆变器三相输出电流i_abc，通过abc/dq坐标变换得到PCC点电压和并网电流在dq坐标系的分量u_sd、u_sq和i_d、i_q，对应的计算公式如下：

所采用的abc/dq坐标变换公式为：

S2：通过电压传感器采集直流电压值，将采集的直流电压值与参考指令值之差进行PI控制得到d轴有功电流与逆变器期望的输出有功电流之和作为d轴参考值，逆变器期望输出的无功电流作为q轴参考值，并送入电流内环控制器；

其中，步骤S2的具体实现过程为：

S2.1：通过电压传感器采集直流电压值u_dc，将采集的直流电压值u_dc与参考指令值u_dcref之差进行PI控制得到d轴有功电流Δi_dref，具体计算公式为：

S2.2：逆变器期望的输出有功电流d轴和逆变器期望输出的无功电流q轴电流值分别为：

S2.3：电流内环控制器的d轴参考值i_dref和q轴电流参考值i_qref的计算公式为：

S3：将步骤S1计算得到的并网电流dq轴分量i_d、i_q和步骤S2得到的参考值i_dref、i_qref送入无源控制器得到无源控制器输出电压指令值；

其中，步骤S3的实现过程为：

S3.1：并网逆变器在两相旋转dq坐标下的数学模型为：

根据无源控制理论，将并网逆变器的数学模型写成欧拉-拉格朗日模型数学形式为：

取系统的能量存储函数为：

S3.2：为了将逆变器渐进稳定在期望平衡点x*，构造系统的动态误差方程：

x_e＝x-x^*＝[i_d-i_dref i_q-i_qref]^T (9)

取系统的误差能量存储函数为:

S3.3：将系统的动态误差方程代入并网逆变器的欧拉-拉格朗日模型，并在控制器中加入虚拟阻尼R_d＝diag[r_d r_d]，使误差能量存储函数快速收敛至零，可得：

其中，R_a＝R+R_d。

选取ξ＝Jx_e，可得逆变器的电流内环无源控制器为：

将其展开，可得：

S4：将步骤S1计算得到的并网电流dq轴分量和步骤S3得到的输出电压指令值送入干扰观测器控制单元得到输出电压补偿值，将无源控制器输出电压指令值减去干扰观测器得到的输出电压补偿值得到逆变器输出电压的指令值；

其中，步骤S4的实现过程为：

S4.1：将步骤S1计算得到的并网电流dq轴分量i_d、i_q和步骤S3得到的输出电压指令值u_d、u_q送入干扰观测器控制单元得到输出电压补偿值Δu_d、Δu_q，具体计算公式为：

其中，τ为一阶低通滤波器的截止频率。

S4.2：为了实现d轴和q轴电流解耦控制，进一步引入d轴和q轴解耦补偿项：

S4.3：将无源控制器输出电压指令值u_d、u_q减去干扰观测器得到的输出电压补偿值Δu_d、Δu_q，并考虑耦合补偿项，得到逆变器输出电压的指令值u_dref、u_qref，具体计算公式为：

S5：将步骤S4计算得到的逆变器输出电压的指令值u_dref、u_qref输入脉冲宽度调制器(Pulse Width Modulation，PWM)得到并网逆变器的驱动脉冲控制逆变器工作。

本发明实施例所提出的一种基于干扰观测器补偿的三相并网逆变器改进无源控制方法控制框图如图1所示，其中P(s)＝1/(sL+R)，P_n(s)＝1/(sL_n+R_n)，Q(s)＝τ/(s+τ)。结合并网逆变器在两相旋转dq坐标下的数学模型和图1可得电流环传递函数如下所示：

其中，

图2给出了基于干扰观测器补偿的三相并网逆变器改进无源控制d轴和q轴传递函数的零极点图，由图2可知，闭环系统的所有极点都位于坐标轴的左半面，因此设计的控制系统是稳定的。

为说明并网逆变器电流跟踪控制方法的正确性及其控制效果，建立仿真模型，模型示意图如附图1所示，模型基本参数说明如下：

系统电源额定电压线电压有效值：V_s＝380V；逆变器直流侧电容值：C_dc＝5000μF，电压指令值750V；滤波器参数：L＝6mH，R＝0.2Ω。

控制器控制参数：r_d＝6，τ＝0.000125。

附图3所示为稳态情况下，并网逆变器期望输出电流幅值I_dref＝20A，I_qref＝20A时的A相相电压、相电流和dq轴电流波形图，其中，(a)为A相PCC点电压和逆变器输出电流，(b)为逆变器输出d轴电流，(c)为逆变器输出q轴电流。可见，本发明所提的方法能无稳态误差跟踪指令电流。为突出本发明所提方法的优越性，设置逆变器参数发生偏移：L_n＝130％L，R_n＝200％R，附图4所示为并网逆变器d轴指令电流I_dref＝20A突变I_dref＝40A时A相相电压、相电流和dq轴电流波形图。由仿真实验结果附图4(a)和附图4(b)可知，在参数发生偏移时，未加干扰观测器补偿的无源控制存在稳态跟踪误差，动态响应速度较慢，同时无法实现d轴和q轴解耦控制。对于本发明所提的基于干扰观测器补偿的三相并网逆变器改进无源控制方法，由仿真实验结果附图4(c)和附图4(d)可知，在参数发生偏移时，d轴和q轴电流准确跟踪指令值，动态响应快，并能实现d轴和q轴解耦控制，鲁棒性强，改善了逆变器输出电流波形的质量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于干扰观测器补偿的三相并网逆变器改进无源控制方法，其特征在于，包括：

(1)将并网逆变器PCC点三相电压通过abc/dq坐标变换得到PCC点电压在dq坐标系的分量，将并网逆变器三相输出电流通过abc/dq坐标变换得到并网电流在dq坐标系的分量；

(2)将直流电压值与参考指令值之差进行PI控制得到的d轴有功电流与逆变器期望的输出有功电流之和作为d轴参考值，将逆变器期望输出的无功电流作为q轴参考值；

(3)将并网电流在dq坐标系的分量、所述d轴参考值及所述q轴参考值送入无源控制器得到无源控制器输出电压指令值；

(4)将并网电流在dq坐标系的分量和所述无源控制器输出电压指令值送入干扰观测器控制单元得到输出电压补偿值，将所述无源控制器输出电压指令值减去干扰观测器得到的所述输出电压补偿值得到逆变器输出电压的指令值；

(5)将所述逆变器输出电压的指令值输入PWM调制器得到并网逆变器的驱动脉冲控制逆变器工作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中采用的abc/dq坐标变换公式为：其中，ω表示电网工频角频率。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：

(2.1)由得到d轴有功电流Δi_dref，其中，u_dc为直流电压值，u_dcref为参考指令值，k_pdc为PI控制器比例系数，k_idc为为PI控制器积分系数，s为拉普拉斯算子；

(2.2)由确定逆变器期望的输出有功电流的d轴电流值，由确定逆变器期望输出的无功电流的q轴电流值，其中，u_sd为PCC点电压在d轴的分量，i_pd为d轴有功电流分量，i_qq为q轴无功电流分量；

(2.3)由i_dref＝i_pd+Δi_dref确定电流内环控制器的d轴参考值i_dref，由i_qref＝i_qq确定电流内环控制器的q轴电流参考值i_qref。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)包括：

由得到无源控制器输出电压指令值的d轴分量u_d和q轴分量u_q，其中，L_n为滤波器标称电感值，R_n为滤波器等值标称电阻值，r_d为注入阻尼，i_d为并网电流d轴分量，i_q为并网电流q轴分量，u_sd为PCC点电压在d轴的分量，u_sq为PCC点电压在q轴的分量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)包括：

(4.1)由得到输出电压补偿值的d轴分量Δu_d和q轴分量Δu_q，其中，τ为一阶低通滤波器的截止频率；

(4.2)由引入d轴解耦补偿项Δu_ddec和q轴解耦补偿项Δu_qdec，以实现d轴和q轴电流解耦控制；

(4.3)由得到逆变器输出电压指令值的d轴分量u_dref和q轴分量u_qref。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(5)包括：

将逆变器输出电压的指令值u_dref和u_qref输入PWM调制器得到并网逆变器的驱动脉冲控制逆变器工作。