CN113131777B - 一种电网逆变过程电流控制谐波抗干扰控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电网逆变过程电流控制谐波抗干扰控制方法，其采用干扰观测器结合PI控制器对电流进行跟踪控制，对系统的稳定性和鲁棒性及电网逆变过程中的谐波补偿等问题上进行改进，能够很好地满足电网并网需求。所述的新型控制策略，针对系统面临谐波干扰的情况下，采用DOBC方法，设计干扰观测器，对干扰进行前馈补偿，通过PI控制器，保证系统闭环镇定，实现电流的跟踪控制，进而得到稳定的电流控制输出，对PWM进行控制，最终得到稳定的三相电压和电流，提高系统的稳定性和鲁棒性。所述的逆变器谐波抗干扰电流控制策略适用于三相并网系统的电压源逆变过程，有利于电网并网逆变器输出高质量的并网电压和电流。

Description

一种电网逆变过程电流控制谐波抗干扰控制方法
技术领域
本发明涉及一种电网逆变过程电流控制谐波抗干扰控制方法，属于电力技术领域。
背景技术
随着全球电能的不断消耗、环境问题日益加剧，其中化石燃料作为人类消耗的主要能源，其使用过程中由于处理不当带来了不良的影响，在我国坚持贯彻可持续发展战略的前提下，人们的环保。意识逐渐增强，越来越多的绿色能源被人类开发和利用。传统的电网形式(发电、配电和用电)也在发生的变化。其中，在新能源发电方面，以风力发电、氢能源、太阳能等等为代表的可再生清洁能源在国内备受青睐，2017年我国的风能与太阳能发电同比2016年增长了34％、74％。水利发电、风力发电、核能发电、天然气、太阳能发电等绿色能源占总量的18％。中国社科院预测：中国可再生能源需求将持续增长，新能源占比到2020年将达到16％，预计将超过石油。
在新能源发电系统中，大多数都采用三相逆变器作为接口电路来实现能量转换与并网发电。在逆变器发电系统中，与传统火力发电不同的是，风能、太阳能等新能源电力具有空间尺度上的低密度分散性与时间尺度上的强随机波动性。新能源电力大规模的接入会导致电网的“荷”、“源”呈现出强随机性和波动性，给电网的运行以及控制带来巨大的挑战。随着新能源的不断加入，以光能为主的新能源并网逆变器大规模接入电网，导致电网的安全稳定运行能力也随之下降。在并网过程中，在逆变过程中面临着多种干扰，不仅有逆变器本身带来的干扰，还有电网中自身所存在的干扰。本身逆变器通过 PWM控制，逆变器的输出结果会携带高次谐波，虽然通过了滤波器进行滤波，但是得到的结果依旧不是很理想，仍然存在谐波干扰及点电压波动的问题。而电力电子系统性能在运行过程中还受到多种形式未知扰动的影响，如外界环境或工况变化引起的电路输入电压、负载功率、电感及电容、寄生电阻等参数摄动。更为重要的是，这些干扰表现为多种形式，如电路参数是时变的，以及外部环境的不确定性，它们可能表现为谐波变量，阶跃变量、斜坡或抛物线等高阶特征变量形式，这些干扰的存在会严重影响系统控制性能。其中，逆变过程本身携带的干扰对逆变过程的影响很大，因此，本发明提供一种应用于电网逆变器电流控制的谐波抗干扰控制方法，利用DOBC控制策略，设计干扰观测器，将电流控制过程中的谐波干扰进行补偿，保证得到稳定的电流控制输出，从而实现向电网输送质量较高的并网电流，提高电网并网的效率。
发明内容
本发明的目的在于：克服电网逆变过程的谐波干扰，提供一种电网逆变过程的电流控制谐波抗干扰控制方法，在系统的稳定性和鲁棒性及对电网逆变过程中的谐波补偿上进行改进，能够很好地满足电网并网需求。
为了实现所述目的，本发明的技术方案为：
一种电网逆变过程电流控制谐波抗干扰控制方法，采用干扰观测(DOBC)控制策略，在原有的电流PI控制器基础上，设计干扰观测器，精心调节PI控制器参数，合理设计观测器参数，对谐波干扰进行观测和补偿，通过观测器的前馈补偿和控制器的闭环镇定保证系统的跟踪效果，完成对干扰的消除，提高逆变过程的稳定性。该控制方法的控制思想是：利用锁相环提取电网实时的相频数据，结合检测到的相频数据，将电网实际的电流进行abc—dq变化，得到电网实际的dq轴电流值作为电流控制器的反馈信号；设计干扰观测器，合理设计观测器参数，将电网实际电流作为反馈信号，并对其携带的干扰进行观测，通过内环前馈补偿，将干扰消除，同时将电流实际信号与参考信号比较得到误差，通过PI控制器控制调节，最终得到稳定的电流控制输出，进而控制PWM逆变过程，从而向电网输出高质量的电压和电流信号。
(1)所述的电网逆变过程，包括锁相环，电流控制器，电压源逆变器和LCL滤波器，对电网逆变过程进行数学模型的建立，通过基尔霍夫定律可以得到LCL滤波器的 dq轴微分方程：
Figure BDA0003031772840000021
Figure BDA0003031772840000022
Figure BDA0003031772840000023
其中ω为电感工作角频率，Cf为滤波器电容，
Figure BDA0003031772840000024
是电容电压，
Figure BDA0003031772840000025
是电感Lg的电压，
Figure BDA0003031772840000026
为逆变器电压，Lg＝Lg1+Lg2，Lg1、Lg2、Lc为摘要附图中电感值,rc和rg是逆变器和电网电感的等效电阻，
Figure BDA0003031772840000027
和
Figure BDA0003031772840000028
分别为电感Lg、Lc和电容Cf的电流。
(2)所述的电网逆变过程，通过基尔霍夫定律可以得到电网微分方程，得到的关系式如下：
vC＝Lcic+rcic+vf
vg＝-Lgig-rgig+vf
Figure BDA0003031772840000031
其中，vC、vf和vg分别为Lc、Cf、Lg的电压值，ic和ig分别为Lc、Lg的电流值。通过进一步计算，可以得到同步坐标变换后的dq轴关系式：
Figure BDA0003031772840000032
Figure BDA0003031772840000033
其中wd和wq代表系统dq轴系统产生的谐波干扰，LT＝Lg+Lc，RT＝rg+rc，ucd和ucq分别为dq轴输入电压，ugd和ugq分别为dq轴电网电压，igd和igq分别为dq轴电网电流。
(3)所述锁相环相位采集过程，具体实现如下：
一般情况下，电网的三相电压vabc如下：
Figure BDA0003031772840000034
在经过鉴相器时，首先经过Clarke变换，在αβ静止坐标系表示如下：
Figure BDA0003031772840000035
其中，
Figure BDA0003031772840000036
为电网实际频率，且：
Figure BDA0003031772840000037
然后，经过Park变换，在dq旋转坐标系的表达式如下：
Figure BDA0003031772840000038
其中：
Figure BDA0003031772840000039
θ'为旋转坐标系的相角。
当旋转坐标系与电压矢量同步时，d轴分量与电压矢量基频方向重合，此时
Figure BDA0003031772840000041
此时，同步之后的表达式为，
Figure BDA0003031772840000042
此时锁相环完成锁相，得到电网实时的频率和幅值信息θPCC。
(4)所述干扰观测器设计，针对谐波干扰进行补偿，具体设计流程如下：
为了便于控制设计，将dq微分方程进行状态空间表示，其系统的状态空间方程建立如下：
Figure BDA0003031772840000043
y＝Cx
其中：
Figure BDA0003031772840000044
状态向量x＝[iq,id]，输入向量u＝[Ucd,Ucq],其中Ucd＝ucd-ugd,Ucq＝ucq-ugq,谐波干扰 w0＝[wd,wq]，wd、wq分别为dq轴所受到的谐波干扰，LT＝Lg+Lc，RT＝rg+rc，rc和rg是逆变器和电网电感的等效电阻。通过状态空间表达式，进行干扰观测器设计，得到干扰观测器：
Figure BDA0003031772840000045
其中
Figure BDA0003031772840000046
为估计的干扰值，u为上述控制输入，L为设计值，决定极点位置，z为中间变量，定义干扰估计误差：
Figure BDA0003031772840000047
其中d为实际干扰，求导并代入上式可得：
Figure BDA0003031772840000048
只要让LB为Hurwitz矩阵或符号为负，即可使干扰的估计值逼近干扰真值。
具体的说，上述电网逆变过程电流控制谐波抗干扰控制方法中第二步至第五步的具体如何实现过程为：
步骤1，在电网耦合点(PCC)，通过锁相环装置，实时采集电网的相位信息，得到电网的相位信号θPCC，将该信号输送到同步坐标变换器中。
步骤2，将电网实际电流值ig通过同步坐标变换器，结合锁相环提取的电网相位信号θPCC，将电网电流信号同步坐标化，得到dq轴电网电流信息ig,dq。并将dq轴电网电流输送到电流控制器中。
步骤3，将电网实际电流信息ig,dq与电网参考电流
Figure BDA0003031772840000051
做比较，得到误差信号，同时电流控制器中，利用设计好的干扰观测器，将谐波干扰信息进行补偿，通过电流PI控制器对电网电流跟踪控制进行调节，得到逆变器的控制信号u，将输入u输入给电压源逆变器。
步骤4，控制信号u输入给逆变器，逆变器产生PWM波控制IGBT开关，完成电网逆变过程，最后通过相连的LCL滤波器，对开关谐振进行滤除，抑制高次谐波，进而得到高质量的电网电压值和电流值。
与现有技术相比，本发明采用干扰观测器，针对谐波干扰，通过设计干扰观测器参数，对干扰进行实时估计，并对干扰进行前馈补偿；调节PI控制器参数保证系统闭环镇定，使得电网逆变过程中的鲁棒性和动态特性有了进一步提高。
附图说明
图1是本发明的并网逆变电流控制谐波抗干扰的系统框图；
图2是本发明的电流PI控制器结合DOBC控制策略框图；
图3是本发明针对逆变过程设计DOBC控制过程的Simulink仿真结构图；
图4是本发明Simulink仿真跟踪拟定电流参考输入的仿真结果图；
图5是本发明电流跟踪稳定状态时的具体仿真波形图。
具体实施方式
本发明应用于一种电网逆变系统中，如图1所示为并网逆变电流谐波抗干扰的系统原理图。其中，电压源三相全控桥逆变器的逆变输出经过LCL滤波器与电网相连，逆变器由6个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，负责把直流电转换成交流电；滤波器由Lc,Lg,Cf组成；电流控制器中由干扰观测器和PI控制器构成，提高了跟踪的精度和速度。具体过程如下，首先在电网耦合点(PCC)通过锁相环(PLL)对电网实际相频进行提取，得到电网的实时相位θPCC，将其作为同步坐标变换器的输入，同时将经过LCL滤波器后电网实际的电流值ig,abc也作为同步坐标变换器的输入信号，与电网相位信息结合，进行同步坐标变化，得到实际电网电流的同步坐标系的值ig,dq，然后将ig,dq与参考电流
Figure BDA0003031772840000052
作为输入，通过带有干扰观测器的电流控制器，进行电流抗干扰控制，得到稳定的电流输出，此控制输出值对PWM进行控制，得到逆变所需的PWM波，进而对逆变器的IGBT 的开关进行开关控制，从而控制逆变过程，最终使得逆变器输出的电压和电流波形与电网耦合点得到的实际电网电压电流波形同频同相，为电网输送高质量的电压和电流。
以下将结合图和具体实施过程对本发明作进一步详细说明：
步骤1，对逆变过程进行数学模型建立，具体实现过程如下：
针对图1的逆变过程框图进行对LCL滤波器进行dq坐标轴微分方程建立，建模结果如下：
Figure BDA0003031772840000061
Figure BDA0003031772840000062
Figure BDA0003031772840000063
其中ω为电感工作角频率，Cf为滤波器电容，
Figure BDA0003031772840000064
是电容电压，
Figure BDA0003031772840000065
是电感Lg的电压，
Figure BDA0003031772840000066
为逆变器电压，Lg＝Lg1+Lg2，Lg1、Lg2、Lc为摘要附图中电感值,rc和rg是逆变器和电网电感的等效电阻，
Figure BDA0003031772840000067
和
Figure BDA0003031772840000068
分别为电感Lg、Lc和电容Cf的电流。进而，通过基尔霍夫电压定律，可以建立逆变系统的微分方程，方程如下：
vC＝Lcic+rcic+vf
vg＝-Lgig-rgig+vf
Figure BDA0003031772840000069
其中，vC、vf和vg分别为Lc、Cf、Lg的电压值，ic和ig分别为Lc、Lg的电流值，通过计算可以得到系统在dq轴中的关系式，同时考虑到谐波干扰进行建模，方程如下：
Figure BDA00030317728400000610
Figure BDA00030317728400000611
其中wd和wq代表系统dq轴系统产生的谐波干扰，LT＝Lg+Lc，RT＝rg+rc，ucd和ucq分别为dq轴输入电压，ugd和ugq分别为dq轴电网电压，igd和igq分别为dq轴电网电流。
步骤2，对实际电网的相频信息进行提取，具体的锁相环提取过程如下：
一般情况下，电网的三相电压vabc如下：
Figure BDA0003031772840000071
在经过鉴相器时，首先经过Clarke变换，在αβ静止坐标系表示如下：
Figure BDA0003031772840000072
其中，
Figure BDA0003031772840000073
为电网实际频率，且：
Figure BDA0003031772840000074
然后，经过Park变换，在dq旋转坐标系的表达式如下：
Figure BDA0003031772840000075
其中：
Figure BDA0003031772840000076
θ'为旋转坐标系的相角。
当旋转坐标系与电压矢量同步时，d轴分量与电压矢量基频方向重合，此时
Figure BDA0003031772840000077
此时，同步之后的表达式为，
Figure BDA0003031772840000078
此时锁相环完成锁相，得到电网实时的频率和幅值信息θPCC。
步骤3，结合提取的实时相位信息θPCC，对电网电流ig,abc进行同步坐标变换，具体的变换过程如下：
一般情况下，电网的三相电流ig,abc如下：
Figure BDA0003031772840000079
首先经过Clarke变换，在αβ静止坐标系表示如下：
Figure BDA00030317728400000710
其中，I为电网电流幅值，
Figure BDA0003031772840000081
然后，经过Park变换，在dq旋转坐标系的表达式如下：
Figure BDA0003031772840000082
其中：
Figure BDA0003031772840000083
此时
Figure BDA0003031772840000084
则：
Figure BDA0003031772840000085
至此完成了电流的同步坐标变换，得到了dq轴电网电流信号idq。
步骤4，设计干扰观测器，对电流信号中的谐波干扰进行补偿。如图2所示干扰观测器原理，其中，d为逆变过程产生的谐波干扰；y为输出电流；r为参考输入；红色虚线框内即为干扰观测器。从图中可以明显看到DOBC所具有的内外环结构，内环为干扰观测器，外环为反馈控制器。针对谐波干扰，对干扰观测器进行设计，具体的设计过程如下所示：
首先根据基尔霍夫电压定律，得到逆变后电网并网端的电压方程，其微分方程如下所示：
vC＝Lcic+rcic+vf
vg＝-Lgig-rgig+vf
Figure BDA0003031772840000086
其中，vC、vf和vg分别为Lc、Cf、Lg的电压值，ic和ig分别为Lc、Lg的电流值，由于本发明对电容滤波电流进行控制，通过反馈一个与控制回路中滤波电容电流成比例的阻尼电压，可以获得一种有效抑制LCL滤波器谐振的方法，在滤波电容可以忽略的情况下，只用标称参数，将主动阻尼系统模型进行同步坐标变换，得到的dq坐标系方程：
Figure BDA0003031772840000087
Figure BDA0003031772840000088
其中wd和wq代表系统dq轴系统产生的谐波干扰，LT＝Lg+Lc，RT＝rg+rc，ucd和ucq分别为dq轴输入电压，ugd和ugq分别为dq轴电网电压，igd和igq分别为dq轴电网电流。
为了便于控制设计，将dq微分方程进行状态空间表示，其系统的状态空间方程建立如下：
Figure BDA0003031772840000091
y＝Cx
其中：
Figure BDA0003031772840000092
状态向量x＝[iq,id]，输入向量u＝[Ucd,Ucq],其中Ucd＝ucd-ugd,Ucq＝ucq-ugq,谐波干扰 w0＝[wd,wq]，wd、wq分别为dq轴所受到的谐波干扰，LT＝Lg+Lc，RT＝rg+rc，rc和rg是逆变器和电网电感的等效电阻。通过状态空间表达式，进行干扰观测器设计，得到干扰观测器：
Figure BDA0003031772840000093
其中
Figure BDA0003031772840000094
为估计的干扰值，u为控制输入，L为设计值，决定极点位置，z为中间变量，定义干扰估计误差：
Figure BDA0003031772840000095
其中d为实际干扰，求导并代入上式可得：
Figure BDA0003031772840000096
只要让LB为Hurwitz矩阵或符号为负，即可使干扰的估计值逼近干扰真值。
本发明中实际系统模型与标称模型不完全符合，所以从标称模型中拿到的状态x并非真实的状态x，但考虑到标称模型和真实模型是较为接近的，而且从原始输出难以还原真实模型的状态x，所以还是用标称模型中取出的状态来估计干扰d。至此完成干扰观测器设计。
步骤5，经过干扰观测器，将谐波干扰进行补偿和抵消后，通过PI控制器对电流进行跟踪调节，得到逆变器的控制输入，进而对逆变器进行控制，生成所需的PWM波，最终通过对IGBT的开关控制，完成直流电压向交流电压的转换，使得逆变器向电网输送高质量的电压和电流。
以下是本发明所述的基于干扰观测器的电流跟踪控制并网谐波抗干扰方法的仿真实验：
直流电压Vdc为380V，滤波器电容Cf为10μF，逆变器端电感Lc为4mH，电网端电感Lg为2mH，并网逆变器开关频率为10KHz，电网电压公共频率为50Hz，等效电阻RT为2Ω。干扰观测器L设计为[-100；0-10]，PI控制器参数P为2、I为2。
仿真实验中，时间为300s；谐波干扰信号的频率为5Hz，幅值为1，初始相位为0；参考信号为5。由图3可以看到Simulink仿真框图，其中d为谐波干扰信号，通过干扰观测器进行观测，并经过PI控制器维持系统闭环镇定，得到的输出信号为图4所示，从图4中可以看到，电流信号可以快速的跟踪期望电流值，并且拥有很好的稳态效果，更精细一步观察电流的跟踪，如图5所示，可以看到电流值在期望电流值5附近波动，虽然存在波动，但是误差绝对值小于0.01，可见误差很小，因此也可以判断，电流跟踪进入稳态后，拥有十分好的跟踪效果。
由此可以判断，针对电网逆变过程的干扰观测器拥有对谐波干扰的补偿功能，并且可以较好地补偿谐波干扰。因此，本发明的方法可以进一步提高电网逆变过程电流跟踪控制的鲁棒性和动态特性，使逆变器输出高质量的电压和电流信号给电网。

Claims (4)

1.一种电网逆变过程电流控制谐波抗干扰控制方法，其特征在于，步骤如下：
第一步，基尔霍夫定律，对电网逆变过程进行建模，得到电网逆变过程的微分方程；电网逆变过程包括锁相环、电流控制器、电压源逆变器和LCL滤波器；
第二步，基于电网逆变过程的微分方程，通过Clark变化和Park变化，对电网逆变过程的实际电网端的电网电压进行相频信号采集，得到电网的实际相位信息；
第三步，根据第二步得到的电网的实际相位信息，对电网三相电流进行同步坐标变换，得到电网dq轴的电流；
第四步，根据第三步得到的电网dq轴的电流，设计干扰观测器，通过干扰观测器结合PI控制器的复合电流控制器，对电流进行控制，得到理想的输出电流；
第五步；将第四步的电流输出结果作为控制信号，对逆变器进行控制，进而得到所需的电网电压及电网电流。
2.根据权利要求1所述的电网逆变过程电流控制谐波抗干扰控制方法，其特征在于：所述第一步中，对电网逆变过程进行建模，得到电网逆变过程的微分方程如下：
通过基尔霍夫定律得到LCL滤波器的dq轴微分方程：
Figure FDA0003788610360000011
Figure FDA0003788610360000012
Figure FDA0003788610360000013
其中ω为电感工作角频率，Cf为滤波器电容，
Figure FDA0003788610360000014
是电容电压，
Figure FDA0003788610360000015
是电感Lg的电压，
Figure FDA0003788610360000016
为逆变器电压，Lg＝Lg1+Lg2，Lc为逆变器侧电感，Lg1和Lg2为电网侧电感，rc和rg是逆变器和电网电感的等效电阻，
Figure FDA0003788610360000017
和
Figure FDA0003788610360000018
分别为电感Lg、Lc和电容Cf的电流。
3.根据权利要求1所述的电网逆变过程电流控制谐波抗干扰控制方法，其特征在于：所述第二步中，通过Clark变化和Park变化，对电网逆变过程的实际电网端的电网电压进行相频信号采集，得到电网的实际相位信息具体过程如下：
电网的三相电压vabc如下：
Figure FDA0003788610360000021
在经过鉴相器时，首先经过Clark变换，在αβ静止坐标系表示如下：
Figure FDA0003788610360000022
其中，
Figure FDA0003788610360000023
为电网实际频率，且：
Figure FDA0003788610360000024
其中Tαβ为Clark变换矩阵，V为电网电压幅值，然后，经过Park变换，在dq旋转坐标系的表达式如下，其中vdq为dq轴电压值：
Figure FDA0003788610360000025
其中：
Figure FDA0003788610360000026
θ'为旋转坐标系的相角,Tdq为Park变换矩阵；
当旋转坐标系与电压矢量同步时，d轴分量与电压矢量基频方向重合，此时
Figure FDA0003788610360000029
此时，同步之后的表达式为，
Figure FDA0003788610360000027
此时锁相环完成锁相，得到电网实时的频率和幅值信息θPCC，即电网的实际相位信息。
4.根据权利要求1所述的电网逆变过程电流控制谐波抗干扰控制方法，其特征在于：所述第四步中，干扰观测器设计，针对谐波干扰进行前馈补偿，其具体实现过程如下：
将dq轴微分方程进行状态空间表示，其电网逆变过程的状态空间方程建立如下：
Figure FDA0003788610360000028
y＝Cx
其中：
Figure FDA0003788610360000031
状态向量x＝[iq,id]，输入向量u＝[Ucd,Ucq]，其中Ucd＝ucd-ugd,Ucq＝ucq-ugq,ucd和ucq分别为dq轴输入电压，ugd和ugq分别为dq轴电网电压，谐波干扰w0＝[wd,wq]，wd、wq分别为dq轴所受到的谐波干扰，LT＝Lg+Lc，RT＝rg+rc，rc和rg是逆变器和电网电感的等效电阻，通过状态空间表达式，进行干扰观测器设计，得到干扰观测器：
Figure FDA0003788610360000032
其中
Figure FDA0003788610360000033
为估计的干扰值，u为上述控制输入，A、B为上述状态空间方程的矩阵A、B，x为上述状态向量，L为设计值，决定极点位置，z为中间变量，定义干扰估计误差：
Figure FDA0003788610360000034
其中d为实际干扰，求导并代入上式得：
Figure FDA0003788610360000035
只要让LB为Hurwitz矩阵或符号为负，即使干扰的估计值逼近干扰真值。
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