基于頻率自適應(yīng)滑模觀測器的并網(wǎng)逆變器直流功率控制

劉向辰 馬曉婧

蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院 蘭州 730060

1 研究背景

并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié),其控制性能好壞直接影響所發(fā)電能質(zhì)量的優(yōu)劣。國內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)并網(wǎng)逆變器的控制策略進(jìn)行了深入探討、研究和分析。目前,常見的并網(wǎng)逆電器控制策略主要有以下三種:網(wǎng)側(cè)電流控制[1-2]、網(wǎng)側(cè)功率控制[3]、直流電壓控制[4]。

與L型并網(wǎng)逆變器相比,LCL型并網(wǎng)逆變器對(duì)高頻信號(hào)具有更好的抑制作用,但同時(shí)存在諧振峰值問題[5]。針對(duì)這一問題,文獻(xiàn)[6]提出一種改進(jìn)型諧振峰值抑制器,將諧振峰值抑制器加入LCL型并網(wǎng)逆變器,可以對(duì)固有諧振峰值進(jìn)行有效抑制。文獻(xiàn)[6]同時(shí)引入網(wǎng)側(cè)電壓前饋控制策略,能夠有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力。并網(wǎng)逆變器傳統(tǒng)控制策略存在響應(yīng)時(shí)間長、穩(wěn)定性差的問題,對(duì)此,文獻(xiàn)[7]提出一種基于LC濾波電流的并網(wǎng)逆變器雙環(huán)控制方案。這一方案首先將網(wǎng)側(cè)峰值電壓諧波分量反饋至濾波器端,形成內(nèi)環(huán)控制。然后將濾波電流反饋至輸入端,形成外環(huán)控制。通過雙環(huán)控制,可以得到并網(wǎng)逆變器理想的電壓波形[8]。文獻(xiàn)[9]提出一種基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的LCL型并網(wǎng)逆變器模型預(yù)測控制方案。這一方案首先建立基于有限控制集—模型預(yù)測控制[10-11]的并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上,采用自適應(yīng)線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[12],能夠有效解決模型預(yù)測控制建模誤差和控制延時(shí)的問題。

在以上文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上,筆者提出一種基于頻率自適應(yīng)滑模觀測器的并網(wǎng)逆變器直流功率控制策略。這一控制策略能夠有效降低網(wǎng)側(cè)頻率波動(dòng)對(duì)并網(wǎng)逆變器直流功率控制的影響,提高并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗頻率干擾能力。

2 L型并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

LCL型并網(wǎng)逆變器雖然對(duì)網(wǎng)側(cè)高頻噪聲信號(hào)有更好的抑制作用,但是卻存在諧振峰值的問題。為了抑制諧振峰值,還需要設(shè)計(jì)一個(gè)諧振峰值抑制器,加入LCL型并網(wǎng)逆變器,由此會(huì)提高控制難度和成本。筆者提出的基于頻率自適應(yīng)滑模觀測器的并網(wǎng)逆變器直流功率控制策略,以L型并網(wǎng)逆變器為控制對(duì)象。L型并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 L型并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 并網(wǎng)逆變器直流功率控制原理

并網(wǎng)逆變器的直流側(cè)輸入功率包括電容功率和負(fù)載功率兩部分,可以對(duì)直流側(cè)濾波電容功率和負(fù)載功率分別進(jìn)行控制。并網(wǎng)逆變器直流功率控制原理如圖2所示,通過外環(huán)功率控制和內(nèi)環(huán)功率控制,降低比例積分控制器參數(shù)整定的難度,控制簡便準(zhǔn)確,并且速度快。

圖2 并網(wǎng)逆變器直流功率控制原理

4 控制策略

電力系統(tǒng)由于負(fù)載波動(dòng)和線路故障等原因,電網(wǎng)電壓頻率會(huì)出現(xiàn)一定幅度的波動(dòng),頻率波動(dòng)必然會(huì)影響并網(wǎng)逆變器直流功率控制的性能。為了降低并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)頻率的依賴性,將由電網(wǎng)頻率波動(dòng)產(chǎn)生的電壓誤差信號(hào)反饋至前端進(jìn)行補(bǔ)償,由此提高并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗頻率干擾能力。

基于頻率自適應(yīng)滑模觀測器的并網(wǎng)逆變器直流功率控制策略如圖3所示。

圖3 基于頻率自適應(yīng)滑模觀測器的并網(wǎng)逆變器直流功率控制策略

5 仿真分析

為了驗(yàn)證所提出的控制策略的正確性,在Matlab/Simulink軟件中搭建仿真模型。系統(tǒng)的仿真參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

令電網(wǎng)頻率為49.5 Hz,偏離電網(wǎng)額定頻率±0.5 Hz時(shí),傳統(tǒng)電壓觀測和頻率自適應(yīng)滑模觀測器下的A相并網(wǎng)電流觀測誤差仿真波形如圖4所示。

圖4 A相并網(wǎng)電流觀測誤差仿真波形

由圖4可見,傳統(tǒng)電壓觀測下的A相并網(wǎng)電流觀測誤差較大,穩(wěn)定后的最大電流觀測誤差達(dá)到0.85 A。頻率自適應(yīng)滑模觀測器下的A相并網(wǎng)電流觀測誤差明顯減小,穩(wěn)定后的最大電流觀測誤差為0.2 A。由此證明頻率自適應(yīng)滑模觀測器在電網(wǎng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí),仍然能夠保持較高的觀測精度。

為了進(jìn)一步分析所提控制策略在電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)的控制性能,令交流側(cè)負(fù)載在0.1 s時(shí)突增為原來的2倍,采用直流功率控制和基于頻率自適應(yīng)滑模觀測器的直流功率控制,A相并網(wǎng)電流動(dòng)態(tài)仿真波形如圖5所示。

圖5 A相并網(wǎng)電流動(dòng)態(tài)仿真波形

由圖5可見,當(dāng)交流側(cè)負(fù)載在0.1 s時(shí)突增為原來的2倍時(shí),采用直流功率控制,A相并網(wǎng)電流動(dòng)態(tài)仿真波形出現(xiàn)一定程度的畸變。而采用基于頻率自適應(yīng)滑模觀測器的直流功率控制,A相并網(wǎng)電流動(dòng)態(tài)仿真波形與電網(wǎng)頻率為50 Hz時(shí)相同。

6 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證所提控制策略和仿真的正確性,搭建并網(wǎng)逆變器試驗(yàn)平臺(tái),選擇TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器和7MBP50RJ120并網(wǎng)逆變器,其它參數(shù)與仿真分析時(shí)相同。

令電網(wǎng)頻率為49.5 Hz,交流側(cè)負(fù)載突增為原來的2倍,采用直流功率控制和基于頻率自適應(yīng)滑模觀測器的直流功率控制,A相、B相并網(wǎng)電流,以及直流側(cè)電壓試驗(yàn)波形如圖6所示。

圖6 并網(wǎng)電流與直流側(cè)電壓試驗(yàn)波形

由圖6可見,在電網(wǎng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)、交流側(cè)負(fù)載突增時(shí),采用直流功率控制,A相、B相并網(wǎng)電流正弦穩(wěn)定性較差,直流側(cè)電壓存在較大幅度的超調(diào),并且調(diào)節(jié)時(shí)間較長,超調(diào)量最大為22.5%,調(diào)節(jié)時(shí)間為20 ms。而采用基于頻率自適應(yīng)滑模觀測器的直流功率控制,A相、B相并網(wǎng)電流正弦穩(wěn)定性較好,直流側(cè)電壓基本沒有受到影響。

7 結(jié)束語

筆者提出的基于頻率自適應(yīng)滑模觀測器的并網(wǎng)逆變器直流功率控制策略,能夠降低并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)頻率的依賴性,有效抑制網(wǎng)側(cè)頻率波動(dòng)對(duì)并網(wǎng)逆變器直流功率控制的影響,進(jìn)而提高并網(wǎng)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)態(tài)控制性能和動(dòng)態(tài)控制性能,并保證抗頻率干擾能力。