<code id="gkkii"><object id="gkkii"></object></code>
<bdo id="gkkii"><noscript id="gkkii"></noscript></bdo>
  • <menu id="gkkii"><center id="gkkii"></center></menu>
  • 優勝從選擇開始,我們是您省心的選擇!—— 文閱期刊網
    幫助中心
    期刊發表
    您的位置: 主頁 > 論文中心 > 電子論文 > 正文

    兩相靜止坐標系下并網逆變器的自抗擾控制

    作者:文閱期刊網 來源:文閱編輯中心 日期:2022-05-30 09:47人氣:
    摘    要:針對三相并網逆變器入網電流控制中存在的電網不確定擾動、系統在dq坐標系下存在耦合以及傳統控制器設計依賴精確數學模型等問題,提出了一種基于兩相靜止坐標系下的線性自抗擾控制策略,以T型三電平LCL并網逆變器為被控對象,設計了三階線性自抗擾控制器。通過系統的等效傳遞函數,詳細分析了逆變系統的穩定性以及抗擾性,并通過仿真和實驗驗證了所提控制策略的有效性。結果表明,所設計的控制策略能夠提高T型三電平LCL并網逆變器的穩定性和抗擾性,實現了對入網電流的良好控制,其總諧波失真控制在2.2%。同時采用的“帶寬化”參數整定方法,物理意義明確,參數調節簡便,具有較高的工程應用價值。
     
    關鍵詞: LADRC; LCL濾波器;兩相靜止坐標系;逆變器;
     
    Active disturbance rejection control of grid-connected inverter in stationary reference
    frame
    Liang Wenke Su Shujing Liang Dongfei Xing Zhenzhen Zhou Guangxing
    State Key Laboratory of Dynamic Measurement Technology,North University of China
     
     
    Abstract:
    Aiming at the problems of grid uncertainty disturbance in grid-connected current control of three-phase grid-connected inverter, system coupling in dq coordinate system and the dependence of traditional controller design on accurate mathematical model, a linear active disturbance rejection control strategy based on two-phase stationary coordinate system is proposed. Taking T-type three-level LCL grid-connected inverter as the controlled object, a three-order linear active disturbance rejection controller is designed. Through the equivalent transfer function of the system, the stability and immunity of the inverter system are analyzed in detail, and the effectiveness of the proposed control strategy is verified by simulation and experiment. The results show that the designed control strategy can improve the stability and immunity of T-type three-level LCL grid-connected inverter, and achieve good control of the grid current, and the total harmonic distortion is controlled at 2.2%. At the same time, the ' bandwidth ' parameter tuning method has clear physical meaning, simple parameter adjustment and high engineering application value.
     
    Keyword:
    LADRC; LCL filter; αβ frame; inverter;
     
    0 引 言
    并網逆變器是分布式發電系統以及能饋型電子負載接入公共電網的關鍵設備[1,2],良好的控制策略可為逆變器高性能可靠運行提供堅實的基礎。在并網逆變器的眾多拓撲結構中,T型三電平LCL型逆變器因使用開關器件少,開關損耗分布均勻,輸出波形失真小以及入網電流諧波分量低[3],而得到了廣泛應用。為了獲得對入網電流的良好控制效果,研究人員提出了多種控制方法。
     
    基于兩相同步旋轉(dq)坐標系下的比例積分控制,可實現對電網有功和無功電流的獨立控制,但在對稱三相系統中,該控制器難以抑制不平衡擾動電流分量,對低次諧波的補償能力較差;陟o止(αβ)坐標下的比例諧振控制可以顯著消除工頻處的穩態誤差[4],但為了提高控制器的低頻諧波抑制能力,需要設計多個諧振項,隨著諧振項數量的增多,系統穩定性逐漸變差。模型預測控制[5],該方法雖然響應速度快,但控制效果受參數影響大,對逆變器數學模型敏感。對傳統重復控制進行改進后的重復-比例復合控制[6],相較于傳統重復控制,動態響應快,入網電流諧波抑制能力有所提升,但控制器參數整定較多,且依賴逆變器的精確數學模型。自抗擾控制技術(ADRC)作為一種繼承了PID技術優點的數字控制技術[7],因其不依賴精確數學模型的控制器設計方法以及抗干擾能力強的特點,而受到了越來越多的關注。目前,自抗擾控制已經成功應用在壓電驅動器的高精度控制、新能源汽車電子差速控制和微電網母線電壓控制當中[8,9,10]。針對自抗擾控制技術在并網逆變器中的應用,相關專家學者也進行了一定的研究。例如,針對有源電力濾波器的并網啟動控制,采用一階自抗擾控制器后,與傳統PI控制相比,大幅降低了系統的并網沖擊電流[11]。還有,針對LC型三相并網逆變器設計的二階非線性自抗擾控制器,可實現對網內電壓、電流的無相位差平滑控制[12],但該方法使用了參數整定較為復雜的非線性自抗擾控制。此外,基于dq坐標系下帶有源阻尼算法的線性自抗擾控制策略[13],雖然實現了對LCL型逆變器入網電流的良好控制,但由于自抗擾控制技術本身可實現對諧振的抑制,有源阻尼算法的引入增加了控制器設計的復雜程度。
     
    針對上述問題,本文以T型三電平LCL并網逆變器為被控對象,設計了基于αβ坐標系下三階線性自抗擾控制器。利用該控制器的等效傳遞函數,對觀測器帶寬ωo和控制帶寬ωc進行了整定,并分析了控制系統的穩定性和抗擾性。最后,基于MATLAB/Simulink平臺對所設計控制策略的穩態性、動態性以及抗擾性進行了仿真分析,并在能饋型直流電子負載的10kW逆變器平臺上,對所設計控制策略的正確性和有效性進行了驗證。
     
    1 LCL型并網逆變器的數學模型
    為了方便研究,首先對逆變器進行建模分析。建模時假定所有開關器件均為理想器件,逆變器工作在平衡狀態。其中L1、R1為逆變器側濾波電感及其等效電阻,L2、R2為網側濾波電感及其等效電阻,Cf為濾波電容,vtk、vck、vgk、i1k、i2k分別為逆變器輸出電壓、濾波電容支路電壓、電網電壓、流過L1的電流、為流過L2的電流,其中k取a、b、c。
     
    由KVL、KCL定律,將如圖1的逆變器拓撲基于自然(abc)坐標系建立數學模型[14],如式(1)所示。
     
    其中,三相矢量i1abc,i2abc,vcabc,vtabc,vgabc用αβ坐標系下的矢量i1αβ,i2αβ,vcαβ,vtαβ,vgαβ代替,靜止坐標系下的矢量為Φαβ=Φα+jΦβ,經過Clarke變換后,式(1)變換為:
     
    對式(2)進行拉式變換,可得αβ坐標系下的并網逆變器結構框圖,如圖2所示。相較于同步旋轉坐標系下三相逆變器的結構,αβ軸之間相互獨立,不互相干擾。從主動抗擾的角度看,在建模階段主動降低被控對象的內部擾動,相當于將一部分本應由ESO估計后并消除的擾動,提前在建模階段消除,減少了因建模而人為引入的內部擾動。
     
    2 線性自抗擾控制器(LADRC)設計
    2.1 自抗擾控制原理
    對于任意一般三階系統,如式(3)所示,
     
    的被控對象視作標準型與擾動相加的結構,其中擾動包括f(⋅)和w,把擾動視為系統的第四個狀態,系統的全部狀態由擴張狀態觀測器(ESO)負責實時估計出,將估計出的擾動量直接取反并與狀態誤差反饋控制率(SEF)計算出的控制量相加,而估計出的輸出量及其各階導數作為反饋量分別送入設計的SEF中。
     
    由于自抗擾控制器含非線性結構且參數整定較為復雜,一般工程技術人員的參數整定效果不盡如人意。高志強教授為了簡化調參過程,以便工程化實現,創造性地將帶寬概念引入[15],將ADRC簡化為線性自抗擾控制器(Linear ADRC, LADRC),經簡化后的ADRC僅需要整定3個物理意義更加直觀的參數,分別為擴張觀測器帶寬ωo、控制器帶寬ωc和系統增益b0。
     
    2.2 總體控制策略
     
    兩相靜止坐標系下并網逆變器的自抗擾控制框圖如圖3所示,逆變器將直流電子負載前級吸收的電能轉為可被電網接受的同頻同相的交流電,U∗dc為逆變器高壓直流母線的給定電壓,模擬負載單元吸收的電能傳遞到高壓直流母線造成電壓升高,升高的電壓Udc與給定的高壓直流母線電壓值U∗dc作差,將誤差值作為逆變器向電網饋入有功電流的信號,q軸的無功電流給定信號為0,將兩者同時送入dq-αβ變換模塊,dq-αβ變換模塊根據鎖相環提供的電網相位信息將給定的有功功率和無功功率轉換為靜止坐標系下與電網同相的給定量rα、rβ,分別送入α軸β軸中的LSEF,abc-αβ變換模塊將電流傳感器檢測到的入網電流轉換為αβ坐標下的實時反饋量igα、igβ后,送入線性擴張狀態觀測器(LESO)內,LESO將異于三階串聯積分標準型的總擾動zα4和輸出量zα1及其各階導數zα2、zα3實時估計出來后送入LSEF,經過增益模塊后,產生α軸和β軸的控制量iα、iβ并送入αβ-abc變換模塊,轉換為自然(abc)坐標系下的入網電流控制量,最后經SVPWM模塊調制生成PWM控制信號。
     
    2.3 線性擴張狀態觀測器(LESO)設計
    由于α軸與β軸的結構相同,下面僅詳細設計α軸的LADRC。由于寄生電阻較小,因此將其歸為系統的內部擾動,由圖2得到基于微分方程的模型表達式:
     
    式(4)可通過狀態空間方程描述為:
    由新的狀態空間方程,構造LESO,如式(7)所示。
     
    式中:L=[l1l2l3l4]T為LESO的誤差反饋系數矩陣,其中zα=[zα1zα2zα3zα4]T是LESO對系統狀態變量xα=[xα1xα2xα3xα4]T的估計值。
     
    根據帶寬化參數整定法,將觀測器狀態矩陣(A−LC)的所有極點都配置在復平面上的−ωo處,則期望特征多項式為:
     
    λ(s)=|sI−(A−LC)|=(s+ωo)4(8)
     
    由式(8)求出LESO輸出誤差反饋陣L中各元素取值:
     
    2.4 線性狀態誤差反饋控制率(LSEF)設計
    由于系統已校正為串聯積分型結構,因此僅設計比例微分控制器即可消除靜差,控制信號可表示為:
     
    uα0=kp(rα−zα1)−kd1zα2−kd2zα3(10)
     
    其中,rα為入網電流給定值,kp、kd1、kd2是控制器增益。LESO將系統各狀態的觀測值通過LSEF反饋回控制器?偪刂戚敵鰹椋
     
    uα=uα0−fˆαb0=uα0−zα4b0(11)
     
    當忽略zα4對總擾動fα的估計誤差時,系統可以簡化成如下結構:
     
    uα(s)rα(s)=kps3+kd2s2+kd1s+kp(12)
     
    求取式(12)的特征方程后,將系統閉環極點均放置−ωc處,得到如下控制器的參數等式:
     
    (s+ωc)3=s3+3ωcs2+3ω2cs+ω3c(13)
     
    對比式(12)可得:
     
    ⎧⎩⎨⎪⎪kp=ω3ckd1=3ω2ckd2=3ωc(14)
     
    3 LADRC性能分析
    3.1 LADRC的等效結構圖
    如圖3所示,由于控制器結構中存在多個反饋通路,直接分析較為復雜,因此先求出LADRC的等效結構圖,如圖4所示,再根據等效傳遞函數分析LADRC控制器的性能。
     
    等效結構圖中,rα(s)為給定量,yα(s)為系統輸出量,Gc(s)誤差反饋控制器,即式(15),H(s)是等效輸入濾波器,即式(16),GP(s)為被控對象的傳遞函數。
     
    3.2 LADRC穩定性分析
    由工程經驗可知,控制器帶寬通常為開關頻率的1/10以下,因此先給定控制帶寬ωc=11000 rad/s 。觀測帶寬應為控制帶寬的3~5倍[16],以ωo=50000 rad/s為起點,ωo=100000 rad/s為終點,10000 rad/s為步長,Ts =20μs,將等效傳遞函數經雙線性變換離散化,并繪制出在不同ωo值下的零極點圖,如圖5所示,隨著ωo數值增加,更多的噪聲被引入控制回路,系統逐漸不穩定。經綜合考慮后最終選擇ωc=11000 rad/s,ωo=50000 rad/s。
     
    3.3 LADRC抗擾性分析
    為了分析控制器參數變化對系統抗擾特性的影響,首先求出入網電流α軸分量yα(s)到擾動d(s)的傳遞函數Gd(s),如式(17)所示。
     
    繪制擾動傳遞函數的伯德圖,如圖6至圖7所示,隨著觀測帶寬ωo和控制帶寬ωc增加,逆變控制系統對中低頻擾動的抑制能力明顯增強,其中觀測器帶寬ωo的增加對系統抗擾能力的增強起主要作用。
     
    4 仿真及實驗驗證
    為了分析所設計的控制器性能,在MATLAB/Simulink平臺中搭建基于兩相靜止坐標下LADRC控制的T型三相LCL并網逆變器仿真模型,并依據表1所示參數,對仿真模型的進行配置。
     
    4.1 穩態性能及入網電流諧波抑制
    對系統的穩態性能進行仿真分析,設定入網電流為40A。仿真結果如圖8(a)所示,逆變器以接近1的功率因數工作,A相入網電流以較高正弦度跟蹤電網電壓。入網電流的THD為1.53%,如圖8(b)所示。仿真結果說明控制系統有良好的穩態性能和較強的諧波抑制能力。
     
    4.2 功率突變
    為了分析系統的動態性能,給定入網電流信號為20A,無功功率始終設定為0,在0.05s時由20A階躍至40A,仿真結果如圖9所示。從圖9(a)中可以看出,入網電流α軸分量跟蹤給定交流信號效果較好,在給定信號跳變瞬間依然能夠準確跟蹤指令。如圖9(b)所示,入網電流在給定信號跳變瞬間有波形畸變,經過0.002秒調整后,逆變器繼續輸出高質量入網電流。
     
    4.3 電網電壓幅值擾動
    為了分析電網電壓擾動對控制系統的影響,模擬電網電壓在0.05秒時突然跌落至0.8倍額定電壓,持續0.05秒后恢復至額定幅值,之后在0.15秒時突然增加至1.2倍額定電壓。圖10為電網電壓出現擾動時入網電流的波形。從圖10中可以看出,在整個擾動過程中,逆變器始終輸出正弦度較高的電流,控制器表現出良好的動態抗擾性能。
     
    4.4 實驗驗證
    基于能饋型直流電子負載中的T型三電平LCL并網逆變器平臺對所設計控制策略進行驗證,該逆變器采用的碳化硅功率開關管型號為LSICMO1200E0080,開關頻率為50kHz,主控芯片為TMS320F28379D,并網逆變器入網電流穩態波形如圖11所示。從圖中可以看出,逆變器入網電流實現了對20A給定信號的良好跟蹤。
     
    此時電網電能質量和入網電流的總諧波畸變及其功率因數,如表2所示。從表中可以看出,在電網電能質量不平衡時,各相入網電流依然以接近單位功率因數向電網饋入電流,每相的入網電流的總諧波畸變率在2.2%左右。
     
    逆變系統給定信號由20A突變至10A時的輸出電流波形如圖12所示。從圖中可以看出,在給定信號跳變瞬間,入網電流能夠準確跟蹤指令,沒有超調和振蕩出現,驗證了所提控制策略能實現對入網電流的良好控制。
     
    5 結論
    本文針對并網逆變器入網電流控制中存在的電網時變擾動、系統在dq坐標系下存在耦合等問題,提出了在兩相靜止坐標系下以網側電流為受控變量的線性自抗擾控制策略。首先利用控制系統的等效傳遞函數,建立了考慮控制延時的系統模型,并對系統的動態特性、穩定性及抗擾性進行了分析。其次搭建了仿真和實驗平臺,驗證了基于兩相靜止坐標系下線性自抗擾控制策略有效性。仿真及實驗結果表明,所提控制策略可實現對入網電流的良好控制,逆變器以接近單位功率因數工作,入網電流總諧波失真控制在2.2%,達到了預期效果。此外,所設計的控制策略采用了“帶寬化”的參數整定方法,物理意義明確且參數調節方便,具有較高的工程應用價值。
     
    參考文獻
    [1] 張興,李明,郭梓暄,等.新能源并網逆變器控制策略研究綜述與展望[J].全球能源互聯網,2021,4(5):506-515.
    [2] 蔡慧,陳俐宏,魏繆宇,等.一種用于光伏發電系統特性測試的能饋型電子負載[J].太陽能學報,2021,42(10):61-67.
    [3] 季寧一,趙濤,徐友,等.T型三電平并網逆變器的設計與實現[J].電氣技術,2018,19(8):11-15.
    [4] 程啟明,褚思遠,程尹曼,等.Z源三電平并網逆變器的PR控制系統[J].高電壓技術,2016,42(10):3075-3082.
    [5] ZHANG X,TAN L,XIAN J,et al. Direct grid-side current model predictive control for grid-connected inverter with LCL filter[J]. IET Power Electronics, 2019, 11(15): 2450-2460.
    [6] 趙強松,陳莎莎,周曉宇, 等.用于并網逆變器諧波抑制的重復-比例復合控制器分析與設計[J].電工技術學報,2019,34(24):5189-5198.
    [7] 李杰,齊曉慧,萬慧, 等.自抗擾控制:研究成果總結與展望[J].控制理論與應用,2017,34(3):281-295.
    [8] 劉瑞娟,聶卓赟,馬亦婧, 等.基于自抗擾重復控制的壓電驅動器高精度跟蹤控制[J].儀器儀表報,2019,40(11):197-203.
    [9] 姚芳,趙曉鵬,吳正斌, 等.一種基于自抗擾控制的電子差速控制策略研究[J].儀器儀表報,2021,42(3):177-191.
    [10] 付建哲,郭昆麗,閆東.直流微電網內雙向DC-DC變換器的自抗擾控制研究[J].國外電子測量技術,2020,39(3):47-52.
    [11] 楊劍鋒,丁宇,劉洋, 等.帶有過渡過程的一階自抗擾SAPF并網啟動策略研究[J].電子測量與儀器學報,2021,35(7):140-147.
    [12] 徐曉寧,周雪松,馬幼捷,等.基于自抗擾控制技術的微網運行控制器[J].高電壓技術,2016,42(10):3336-3346.
    [13] 楊林,曾江,黃仲龍.線性自抗擾技術在LCL逆變器并網電流控制及有源阻尼中的應用[J].電網技術,2019,43(4):1378-1386.
    [14] 付子義,張字遠,董彥杰.弱電網條件下LCL型三相光伏并網逆變器研究[J].太陽能學報,2021,42(4):193-199.
    [15] 陳增強,劉俊杰,孫明瑋.一種新型控制方法——自抗擾控制技術及其工程應用綜述[J].智能系統學報,2018,13(6):865-877.
    [16]呂勤,王金躍,周竹菁.LCL濾波并網逆變器的自抗擾控制[J].電力電子技術,2020,54(1):5-9.
     
     
     
     
     
     

    在線客服:

    文閱期刊網 版權所有   

    【免責聲明】:所提供的信息資源如有侵權、違規,請及時告知。

    專業發表機構
    辽宁熟妇高潮45分钟,午夜乱码在线观看不卡,欧美成人午夜福利小视频
    <code id="gkkii"><object id="gkkii"></object></code>
    <bdo id="gkkii"><noscript id="gkkii"></noscript></bdo>
  • <menu id="gkkii"><center id="gkkii"></center></menu>