《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電力電子負(fù)載逆變并網(wǎng)電流諧波抑制研究
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
汪 通1，麻煥成1，石萍萍2，林曉煥1，郭丹蕊1
1.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048；2.駐馬店農(nóng)業(yè)學(xué)校 機(jī)電工程系，河南 駐馬店463002
摘要： 為了抑制單相電力電子負(fù)載逆變側(cè)并網(wǎng)電流畸變產(chǎn)生的諧波,在帶通調(diào)節(jié)器用于電流環(huán)的基礎(chǔ)之上，提出采用帶通調(diào)節(jié)器結(jié)合擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器的控制策略。該方法為經(jīng)典控制與現(xiàn)代控制的結(jié)合，有效解決電流環(huán)前向通道的擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)輸出電流的干擾。首先介紹電流環(huán)帶通調(diào)節(jié)器的研究背景，其次論述擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器方法的基本原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，最后設(shè)計(jì)基于擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器方法的并網(wǎng)電流環(huán)(Band Pass, BP)調(diào)節(jié)器控制方案以及電壓環(huán)的設(shè)計(jì)。
中圖分類(lèi)號(hào)： TM721
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.035
中文引用格式： 汪通，麻煥成，石萍萍，等. 電力電子負(fù)載逆變并網(wǎng)電流諧波抑制研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(2)：129-132.
英文引用格式： Wang Tong，Ma Huancheng，Shi Pingping，et al. Research on suppression of current harmonics in grid-connected inverter of power electronic load[J].Application of Electronic Technique，2016，42(2)：129-132.
Research on suppression of current harmonics in grid-connected inverter of power electronic load
Wang Tong1，Ma Huancheng1，Shi Pingping2，Lin Xiaohuan1，Guo Danrui1
1.Electronics and Information College，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China； 2.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Zhumadian Agriculture School，Zhumadian 463002，China
Abstract： To suppress current harmonics in single-phase grid-connected inverter, a control strategy of band-pass regulator and disturbance observer is proposed on the basis of band-pass regulator used in the current loop. The method is a combination of classic and modern control, by which the interference of grid-connected output current caused by disturbance from forward channel in current loop. The background of band-pass regulator is first introduced. Then the basic principle and its advantages and disadvantages of the disturbance observer method are discussed. Finally the control scheme of BP regulator based on disturbance observer method in the current loop of the grid-connected inverter and the design of voltage loop are given.
Key words : power electronic load；band-pass regulator；disturbance observer；grid-connected inverter；harmonics suppression

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(wèn)題提出來(lái)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(wú)法有效抑制電流環(huán)前向通道的擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)輸出電流的擾動(dòng)，尤其是非線(xiàn)性死區(qū)擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)電流的干擾更是無(wú)法解決，因此引入線(xiàn)性定常擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器前饋控制方法[6-8]，其是解決非線(xiàn)性系統(tǒng)或帶有非線(xiàn)性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)以及多輸入多輸出耦合系統(tǒng)的線(xiàn)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(xiàn)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)。

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    圖1中us1是被測(cè)電源電壓，is1是被測(cè)電源電流，us2是電網(wǎng)電壓，is2是并網(wǎng)電流。T1~T4是整流側(cè)開(kāi)關(guān)管，L1是濾波電感；T5~T8是逆變側(cè)開(kāi)關(guān)管，L和C組成差模濾波器；Cd是直流母線(xiàn)電容。

    圖2中dy3-t1-x1.gif是母線(xiàn)電壓指令，Udc是母線(xiàn)實(shí)際電壓，ev是電壓誤差，GV(s)是電壓調(diào)節(jié)器，dy3-t1-x2.gif是并網(wǎng)電流指令峰值，is2是并網(wǎng)電流，dy3-t1-x3.gif是并網(wǎng)電流指令，ei是并網(wǎng)電流的誤差，Gi(s)是電流調(diào)節(jié)器，ks是逆變器增益，τs是一階慣性時(shí)間常數(shù)，Id是母線(xiàn)電容與逆變器之間的直流側(cè)平均電流，kd是從并網(wǎng)電流峰值到直流側(cè)電流的傳輸系數(shù)，us2是電網(wǎng)電壓。

dy3-t2.gif

    fb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fci；同時(shí)要求高頻濾波效果好，差模濾波頻率fLC越小于載波頻率fc越好；但為避免頻帶內(nèi)諧波在fLC附近被放大，要求fLC離fci較遠(yuǎn)；而fb與fc之間的頻帶是固定的。由圖3可知設(shè)計(jì)fci和fLC時(shí)矛盾，系統(tǒng)頻帶資源分配緊張。故存在兩個(gè)問(wèn)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。基于此提出BP調(diào)節(jié)器。

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2 BP調(diào)節(jié)器

    根據(jù)被控對(duì)象要求，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)器之后呈現(xiàn)帶通特性，故稱(chēng)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。

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    BP調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)為：

    dy3-gs1.gif

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

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    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(duì)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(duì)前向通道中的擾動(dòng)無(wú)調(diào)節(jié)能力。對(duì)此提出擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器方法，通過(guò)分析推導(dǎo)，設(shè)計(jì)出狀態(tài)觀(guān)測(cè)器對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行觀(guān)測(cè)，并通過(guò)前饋補(bǔ)償將前向通道的擾動(dòng)量共同進(jìn)行觀(guān)測(cè)后全補(bǔ)償。

3 擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器方法

3.1 擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器方法的原理

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

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

    設(shè)計(jì)狀態(tài)觀(guān)測(cè)器ΣO對(duì)ΣS的狀態(tài)觀(guān)測(cè)的值記為dy3-t6-x1.gif。觀(guān)測(cè)器的頻帶遠(yuǎn)大于擾動(dòng)的頻帶時(shí)，dy3-t6-x1.gif就是Δ的漸近估值。設(shè)計(jì)前饋控制器ΣC對(duì)擾動(dòng)采用前饋補(bǔ)償，施加控制后ΣS與ΣI的輸入輸出特性相同。再將ΣC移植到ΣP，施控后的被控對(duì)象輸入輸出特性與目標(biāo)模型相同。把ΣI設(shè)計(jì)成解耦，則ΣP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(xiàn)性系統(tǒng)范圍內(nèi)，與被控對(duì)象本身是線(xiàn)性或非線(xiàn)性無(wú)關(guān)。

3.2 擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器方法在電流環(huán)中實(shí)現(xiàn)

    按照擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器方法的理論結(jié)合電流環(huán)被控對(duì)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(duì)象ΣP。

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    死區(qū)和母線(xiàn)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(duì)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(duì)象。綜上，采用擾動(dòng)觀(guān)測(cè)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(xiàn)性系統(tǒng)理論范圍內(nèi)設(shè)計(jì)，與含有擾動(dòng)的被控對(duì)象的實(shí)際模型無(wú)關(guān)，不需要對(duì)被控對(duì)象中擾動(dòng)量精確計(jì)算。

3.3 等效擾動(dòng)觀(guān)測(cè)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(guān)測(cè)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：

    dy3-gs2-3.gif

其中A1=[0]，B1=[ b0]，C1=[1]。

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

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    系統(tǒng)為額定狀態(tài)時(shí)，b0=ks/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(guān)測(cè)器為：

    dy3-gs7.gif

    BP調(diào)節(jié)器電流環(huán)通過(guò)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)τi=0.02 s，衰減系數(shù)ki=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kd=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：

    dy3-gs8.gif

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(xiàn)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(guān)測(cè)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(duì)反饋電流的影響。對(duì)比可知，is2能夠準(zhǔn)確跟蹤dy3-4-x1.gif基波分量，系統(tǒng)相位跟蹤嚴(yán)格為0°。

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    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(guān)測(cè)器算法與仿真完全相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10。

dy3-t10.gif

    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(xiàn)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(guò)此條件下的觀(guān)測(cè)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(duì)BP調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)擾動(dòng)觀(guān)測(cè)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(duì)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(wú)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(guān)測(cè)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(lái)的不足。擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器方法對(duì)于解決含有非理想擾動(dòng)的控制系統(tǒng)中，對(duì)消除擾動(dòng)有良好的作用，完全基于線(xiàn)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(duì)提高并網(wǎng)電能的質(zhì)量有一定的實(shí)際意義。

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