CN110957756A - 一种基于自抗扰技术的光伏逆变器电压控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于自抗扰技术的光伏逆变器电压控制电路，所述电压控制电路用于光伏逆变器系统，光伏逆变器系统由分布式电源、光伏逆变器和LC输出滤波器组成；所述电压控制电路基于自抗扰控制技术，设置有扩张状态观测器和状态误差反馈，包括积分运算放大器、比例运算放大器、加减法运算放大器。本发明对光伏逆变器引入自抗扰控制技术，使得光伏逆变器系统动态性能和抗扰性能大为提升，保证了电能质量。

Description

一种基于自抗扰技术的光伏逆变器电压控制电路

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，具体涉及一种基于自抗扰技术的光伏逆变器电压控制电路。

背景技术

光伏逆变系统具有非线性、强耦合、负载扰动强、并/离网模式切换灵活等特性，传统电压电流双环控制难以取得满意的控制效果。自抗扰控制(active disturbancerejection control，ADRC)把作用于对象的不确定因素都归结为“未知扰动”，利用扩张状态观测器(extend state observer，ESO)对其进行估计并予以补偿。该策略不依赖于被控对象的精确模型，具有控制精度高、响应速度快、抗干扰能力强等特点。传统非线性ADRC存在计算复杂、参数众多、调参困难等问题，线性自抗扰控制(linear active disturbancerejection control，LADRC)保留了自抗扰控制算法的优良性能，将诸参数归结为观测器带宽和控制器带宽的整定，算法简单，易于工程实现。

考虑到扩张状态观测器是影响LADRC控制性能的核心环节，增加扩张状态观测器带宽，可以有效提高系统的扰动观测能力和抗扰能力。数字控制系统的离散化特性对系统参数设计影响很大，限制了观测带宽的提升。设计模拟型自抗扰控制电路，可以突破离散化系统对观测带宽的限制，大大提升控制系统的动态性能。另外，自抗扰控制可对作用于对象内扰和外扰进行统一估计与补偿，具有较强鲁棒性，可有效克服模拟电路参数漂移造成的控制性能恶化问题。

发明内容

本发明提供一种基于自抗扰技术的光伏逆变器电压控制电路，能够提升光伏逆变器控制性能，以解决行业中面临的问题。

本发明具体为一种基于自抗扰技术的光伏逆变器电压控制电路，所述电压控制电路用于光伏逆变器系统，光伏逆变器系统由分布式电源、光伏逆变器和LC输出滤波器组成；所述电压控制电路基于自抗扰控制技术，设置有扩张状态观测器和状态误差反馈，包括积分运算放大器、比例运算放大器、加减法运算放大器。

进一步的，所述光伏逆变器采用LC滤波器作为输出滤波器，以电容C的电压作为闭环控制目标，控制对象为二阶，系统状态变量为电容C的电压及其微分，以电容C电压作为输出，称为输出电压。

进一步的，所述扩张状态观测器设计为三阶线性扩张状态观测器，包括输出电压状态观测量、输出电压微分状态观测量及总和扰动观测量。

进一步的，所述状态误差反馈，设计为状态误差比例反馈，状态误差包括参考信号与输出电压观测量之差、输出电压微分观测量。

进一步的，将状态误差反馈得到的输出与扩张状态观测器得到的扰动观测量叠加，得到系统总的输入信号，与载波信号比较，得到光伏逆变器开关管的动作信号，经过驱动电路，控制逆变器开关管动作。

进一步的，设计扩张状态观测器的具体步骤为：

1)通过坐标变换，将三相静止坐标系变换到dq旋转坐标下，得到光伏逆变器的数学模型为：

式中，i_Ld、i_Lq和i_sd、i_sq分别表示dq旋转坐标系下滤波电感电流和流向母线电流d、q轴分量；U_d、U_q和U_sd、U_sq分别表示dq旋转坐标系下逆变器侧电压和输出电压d、q轴分量；ω为系统基波频率；

2)输出电压U_sd、U_sq的数学模型为二阶系统，设计两个二阶LADRC控制器；将dq轴间的耦合量视为扰动时，dq轴具有相同的LADRC控制结构；

3)加入扩张状态，将步骤1)中数学模型的d轴微分方程写成如下状态空间形式：

式中，b₀＝1/LC，K_PWM为逆变增益；u＝U_d为控制输出；状态变量x₁、x₂为系统输出y＝U_sd及其微分；x₃作为扩张状态变量，表征系统扰动的总和，h表示x₃的微分。

4)根据步骤3)中的状态空间形式，设计如下三阶扩张状态观测器：

其中，z₁、z₂和z₃分别为状态量x₁、x₂和x₃的状态观测量；β₁、β₂和β₃为扩张状态观测器增益；通过选取合适的增益，扩张状态观测器能实现对系统中各状态变量的实时跟踪。

进一步的，所述状态误差反馈具体为：

式中，k_p和k_d为状态误差反馈增益系数。

与现有技术相比，本发明的有益之处是：对光伏逆变器引入自抗扰控制技术，使得光伏逆变器系统动态性能和抗扰性能大为提升，保证了电能质量。采用模拟电路来设计自抗扰控制器，突破数字系统离散化对扩张状态观测器带宽的限制，有效增加扩张状态观测器带宽，使得扩张状态观测器的扰动观测能力大为增强，进一步提升光伏逆变器的抗扰性能。自抗扰控制器本身可克服模拟电路参数漂移对控制性能的影响，因此对模拟控制电路的设计要求不高。

附图说明

图1是光伏逆变系统示意图。

图2是光伏逆变器系统整体控制结构。

图3是自抗扰电压控制电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种基于自抗扰技术的光伏逆变器电压控制电路的具体实施方式做详细阐述。

根据图1至图3所示的一种基于自抗扰技术的光伏逆变器电压控制电路，光伏逆变器系统由分布式电源、光伏逆变器和LC输出滤波器组成。

通过坐标变换，将三相静止坐标系变换到dq旋转坐标下，可得光伏逆变器的数学模型为：

式中，i_Ld、i_Lq和i_sd、i_sq分别表示dq旋转坐标系下滤波电感电流和流向母线电流d、q轴分量；U_d、U_q和U_sd、U_sq分别表示dq旋转坐标系下逆变器侧电压和输出电压d、q轴分量；ω为系统基波频率。

输出电压U_sd、U_sq的数学模型为二阶系统，考虑设计两个二阶LADRC控制器。当将dq轴间的耦合量视为扰动时，dq轴具有相同的LADRC控制结构，后面仅以d轴为例进行论述。光伏逆变器系统整体控制结构如图2所示。

加入扩张状态，将式(1)中d轴微分方程写成如下状态空间形式：

式中，b₀＝1/LC，K_PWM为逆变增益；u＝U_d为控制输出；状态变量x₁、x₂为系统输出y＝U_sd及其微分；x₃作为扩张状态变量，表征系统扰动的总和，h表示x₃的微分。

根据式(2)，可设计如下三阶扩张状态观测器：

z₁、z₂和z₃分别为状态量x₁、x₂和x₃的状态观测量；β₁、β₂和β₃为扩张状态观测器增益。选取合适的增益，扩张状态观测器能实现对系统中各状态变量的实时跟踪。

状态误差反馈率设计为：

式中，k_p和k_d为状态误差反馈增益系数。

基于上述分析，可设计自抗扰电压控制电路，控制电路结构示意图如图3所示，自抗扰电压控制电路主要由积分运算放大器、比例运算放大器、加减法运算放大器构成，其中101到103为积分运算放大器，201到207为比例运算放大器，301到306位加减法运算放大器。

将自抗扰电压控制电路进行集成化设计，应用到逆变器控制中，有效提高逆变器控制性能。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种基于自抗扰技术的光伏逆变器电压控制电路，其特征在于，所述电压控制电路用于光伏逆变器系统，光伏逆变器系统由分布式电源、光伏逆变器和LC输出滤波器组成；所述电压控制电路基于自抗扰控制技术，设置有扩张状态观测器和状态误差反馈，包括积分运算放大器、比例运算放大器、加减法运算放大器。

2.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰技术的光伏逆变器电压控制电路，其特征在于，所述光伏逆变器采用LC滤波器作为输出滤波器，以电容C的电压作为闭环控制目标，控制对象为二阶，系统状态变量为电容C的电压及其微分，以电容C电压作为输出，称为输出电压。

3.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰技术的光伏逆变器电压控制电路，其特征在于，所述扩张状态观测器设计为三阶线性扩张状态观测器，包括输出电压状态观测量、输出电压微分状态观测量及总和扰动观测量。

4.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰技术的光伏逆变器电压控制电路，其特征在于，所述状态误差反馈，设计为状态误差比例反馈，状态误差包括参考信号与输出电压观测量之差、输出电压微分观测量。

5.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰技术的光伏逆变器电压控制电路，其特征在于，将状态误差反馈得到的输出与扩张状态观测器得到的扰动观测量叠加，得到系统总的输入信号，与载波信号比较，得到光伏逆变器开关管的动作信号，经过驱动电路，控制逆变器开关管动作。

6.根据权利要求3所述的一种基于自抗扰技术的光伏逆变器电压控制电路，其特征在于，设计扩张状态观测器的具体步骤为：

1)通过坐标变换，将三相静止坐标系变换到dq旋转坐标下，得到光伏逆变器的数学模型为：

式中，i_Ld、i_Lq和i_sd、i_sq分别表示dq旋转坐标系下滤波电感电流和流向母线电流d、q轴分量；U_d、U_q和U_sd、U_sq分别表示dq旋转坐标系下逆变器侧电压和输出电压d、q轴分量；ω为系统基波频率；

2)输出电压U_sd、U_sq的数学模型为二阶系统，设计两个二阶LADRC控制器；将dq轴间的耦合量视为扰动时，dq轴具有相同的LADRC控制结构；

3)加入扩张状态，将步骤1)中数学模型的d轴微分方程写成如下状态空间形式：

式中，b₀＝1/LC，K_PWM为逆变增益；u＝U_d为控制输出；状态变量x₁、x₂为系统输出y＝U_sd及其微分；x₃作为扩张状态变量，表征系统扰动的总和，h表示x₃的微分；

4)根据步骤3)中的状态空间形式，设计如下三阶扩张状态观测器：

其中，z₁、z₂和z₃分别为状态量x₁、x₂和x₃的状态观测量；β₁、β₂和β₃为扩张状态观测器增益；通过选取合适的增益，扩张状态观测器能实现对系统中各状态变量的实时跟踪。

7.根据权利要求4所述的一种基于自抗扰技术的光伏逆变器电压控制电路，其特征在于，所述状态误差反馈具体为：

式中，k_p和k_d为状态误差反馈增益系数。

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