電力電子負(fù)載逆變并網(wǎng)電流諧波抑制研究

汪　通，麻煥成，石萍萍，林曉煥，郭丹蕊

（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）

電力電子負(fù)載逆變并網(wǎng)電流諧波抑制研究

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）

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)合擾動觀測器的控制策略。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)前向通道的擾動對并網(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，其次論述擾動觀測器方法的基本原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，最后設(shè)計(jì)基于擾動觀測器方法的并網(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)。

電力電子負(fù)載；帶通調(diào)節(jié)器；擾動觀測器；并網(wǎng)逆變器；諧波抑制

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)電流畸變問題提出來的電流環(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)器無法有效抑制電流環(huán)前向通道的擾動對并網(wǎng)輸出電流的擾動，尤其是非線性死區(qū)擾動對并網(wǎng)電流的干擾更是無法解決，因此引入線性定常擾動觀測器前饋控制方法[6-8]，其是解決非線性系統(tǒng)或帶有非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)以及多輸入多輸出耦合系統(tǒng)的線性解耦控制。

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)。

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

圖1　SPEL主電路拓?fù)?/p>

圖2　逆變并網(wǎng)雙閉環(huán)控制框圖

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時矛盾，系統(tǒng)頻帶資源分配緊張。故存在兩個問題：(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?；诖颂岢?BP調(diào)節(jié)器。

圖3　頻率帶寬分布圖

2　BP調(diào)節(jié)器

根據(jù)被控對象要求，整個系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)器之后呈現(xiàn)帶通特性，故稱為帶通調(diào)節(jié)器,在基波頻率處增加一個二階諧振環(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。

圖4　電流環(huán)控制框圖

BP調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)為：

BP調(diào)節(jié)器對應(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。

圖5　BP調(diào)節(jié)器閉環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖

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，對前向通道中的擾動無調(diào)節(jié)能力。對此提出擾動觀測器方法，通過分析推導(dǎo)，設(shè)計(jì)出狀態(tài)觀測器對擾動進(jìn)行觀測，并通過前饋補(bǔ)償將前向通道的擾動量共同進(jìn)行觀測后全補(bǔ)償。

3　擾動觀測器方法

3.1擾動觀測器方法的原理

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

圖6　擾動觀測器方法原理圖

對于任意輸入函數(shù)u，都存在擾動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被稱為原被控對象的替代模型，記為 ΣS。

設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測器 ΣO對 ΣS的狀態(tài)觀測的值記為。觀測器的頻帶遠(yuǎn)大于擾動的頻帶時，就是Δ的漸近估值。設(shè)計(jì)前饋控制器ΣC對擾動采用前饋補(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性系統(tǒng)范圍內(nèi)，與被控對象本身是線性或非線性無關(guān)。

3.2擾動觀測器方法在電流環(huán)中實(shí)現(xiàn)

按照擾動觀測器方法的理論結(jié)合電流環(huán)被控對象與擾動的位置，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象ΣP。

圖7　擾動觀測的BP電流環(huán)控制原理圖

死區(qū)和母線電壓波動都包含在逆變器中，電網(wǎng)電壓及諧波屬于外部干擾。原被控對象中含有的擾動量被消除，電流環(huán)前向通道中只剩下期望的被控對象。綜上，采用擾動觀測器方法設(shè)計(jì)電流環(huán)消除前向通道擾動的控制方案，僅在線性系統(tǒng)理論范圍內(nèi)設(shè)計(jì)，與含有擾動的被控對象的實(shí)際模型無關(guān)，不需要對被控對象中擾動量精確計(jì)算。

3.3等效擾動觀測器設(shè)計(jì)

等效擾動控制器的設(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、擾動觀測器的設(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：

將式(2)寫成狀態(tài)方程：

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：

然后設(shè)計(jì)電流環(huán)觀測器表達(dá)式為：

其中，G為狀態(tài)觀測器的增益矩陣，進(jìn)而得到全維觀測器模型的表達(dá)式：

觀測器框圖如圖8，s1、s2是觀測器極點(diǎn)，u是被控對象的輸入，y是被控對象的輸出，在擾動狀態(tài)觀測器中，y和u同時作為觀測器的輸入量，和作為觀測器的輸出量。

圖8　全維擾動狀態(tài)觀測器系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)為額定狀態(tài)時，b0=ks/L=50，期望極點(diǎn) s1、s2分別取為-20 000、-20 000，代入?yún)?shù)后，得擾動觀測器為：

BP調(diào)節(jié)器電流環(huán)通過電壓外環(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：

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：母線電壓中直流量為400 V，且含有10%的2次波動電壓；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)時間為1 μs。

由圖9可知，結(jié)合BP調(diào)節(jié)器和觀測器的電流環(huán)系統(tǒng)，抑制電流指令中的諧波，并且消除前向通道擾動對反饋電流的影響。對比可知，is2能夠準(zhǔn)確跟蹤基波分量，系統(tǒng)相位跟蹤嚴(yán)格為0°。

圖9　電流環(huán)擾動觀測器仿真結(jié)果

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)器和觀測器算法與仿真完全相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10。

圖10　并網(wǎng)側(cè)電流環(huán)線電壓并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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此條件下的觀測器前饋補(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BP調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)系統(tǒng)，通過擾動觀測器的前饋補(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，可知此方法無法消除電流環(huán)中的前向通道擾動?；诖颂岢鯞P調(diào)節(jié)器結(jié)合擾動觀測器用于能饋式SPEL逆變側(cè)的控制策略，有效解決 BP調(diào)節(jié)器帶來的不足。擾動觀測器方法對于解決含有非理想擾動的控制系統(tǒng)中，對消除擾動有良好的作用，完全基于線性系統(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，對提高并網(wǎng)電能的質(zhì)量有一定的實(shí)際意義。

[1]曾正.可再生能源分散接入用先進(jìn)并網(wǎng)逆變器研究綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(24)：1-12.

[2]RYAN M J，LORENZ R D．A synchronous-frame controller for a single-phase sine wave inverter[C].IEEE APEC．Vancouver：IEEE，1997：813-819．

[3]趙清林，郭小強(qiáng)，鄔偉揚(yáng)．單相逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(16)：60-65．

[4]ZENG Z，YANG H，CHENG C，et al．Harmonic and reactive currents sharing by multi-functional grid-connected inverters in a micro-grid[C].Proceeding of IEEE International Conference on Electrical Machines and Systems．Sapporo， Japan：IEEE，2012：1-6．

[5]陳增祿，班培剛，史強(qiáng)強(qiáng)．抑制并網(wǎng)逆變器電流諧波的帶通調(diào)節(jié)器研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(6)：1706-1712．

[6]陳良．基于擾動觀測器的非線性系統(tǒng)線性控制方法研究[D]．蘭州：蘭州交通大學(xué)，2013．

[7]馬鑫．等效擾動前饋非線性解耦方法在交流調(diào)速中的應(yīng)用研究[D]．西安：西安工程大學(xué)，2013．

[8]錢慧芳，陳增祿，馮智．一種非線性系統(tǒng)的線形定?？刂品椒ǚ抡嫜芯縖J]．西安工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19(3)：354-357．

[9]王孝武．現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)(第二版)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

[10]KHADEM S K，BASU M，CONLON M F．Power quality in grid connected renewable energy systems role of custom power devices[C].Proceeding of International Conference on Renewable Energy and Power Quality．Granada，Spain：ICREPQ，2010：1-6．

[11]張興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[12]黃朝霞.單相電力電子負(fù)載關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

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)

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.

power electronic load；band-pass regulator；disturbance observer；grid-connected inverter；harmonics suppression

TM721

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.035

2015-08-07)

汪通（1988-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：新能源并網(wǎng)技術(shù)、電力電子負(fù)載，E-mail：wangtongok@126. com。

麻煥成（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用、新能源并網(wǎng)技術(shù)。

石萍萍（1984-），女，助教，主要研究方向：新能源并網(wǎng)技術(shù)。

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.