楊苓 陳燕東 羅安 懷坤山 周樂明

摘 要：在并網(wǎng)逆變器的無差拍電流控制中，逆變器輸出濾波電感值變化和滯后一拍延時會直接影響并網(wǎng)電流的畸變率、系統(tǒng)穩(wěn)定性與動態(tài)響應(yīng)速度.對此，本文提出了一種魯棒脈寬調(diào)制的無差拍并網(wǎng)控制方法，減小了因?yàn)V波電感值變化對并網(wǎng)電流造成的畸變，有效地解決了滯后一拍控制引入的延時問題，降低了系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征根方程階次，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及動態(tài)響應(yīng)速度.分析了濾波電感偏差系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，得到系統(tǒng)臨界穩(wěn)定的濾波電感偏差系數(shù)隨著濾波電感的寄生電阻和線路等效電阻的增大而增大，隨著采樣頻率的增大而減小的結(jié)論.綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性與動態(tài)響應(yīng)速度，給出了關(guān)鍵控制參數(shù)的優(yōu)化選取范圍.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性.

關(guān)鍵詞：無差拍并網(wǎng)控制；魯棒脈寬調(diào)制；滯后一拍控制；穩(wěn)定性；動態(tài)性

中圖分類號：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： In the gridconnected inverter based on the deadbeat current control， the filter inductance variation and onestepdelay control delay affect the distortion of the grid current， stability and dynamic response speed of the system. In this paper， a deadbeat gridconnected control method based on robust PWM is proposed， which reduces the distortion of the grid current caused by the filter inductance variation， effectively solves the delay of the onestepdelay control， reduces the characteristic root equation order of the closedloop transfer function of the system， and improves the stability and dynamic response speed of the system. The influence of the filter inductance deviation coefficient on the system performance is analyzed， and the filter inductance deviation coefficient of the system critical stability increases with the increase of the parasitic resistance of the filter inductance and the line equivalent resistance and decreases with the increase of the sampling frequency. Considering the stability and dynamic response speed of the system， the optimal selection range of the key control parameters is given. Simulation and experimental results verify the effectiveness of the proposed method.

Key words：deadbeat gridconnected control； robust PWM； onestepdelay control； stability； dynamic

隨著化石能源的不斷衰竭，新能源分布式發(fā)電技術(shù)越來越受到人們的重視[1-4]，其中，并網(wǎng)逆變器是分布式發(fā)電系統(tǒng)的核心部分[5-8]，其作用是將來自分布式電源的電能轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)可接受的交流電能.而無差拍電流控制以并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，依賴于主電路的實(shí)際電氣參數(shù)，理論上可以實(shí)現(xiàn)無靜差控制[9-12].因其快速的電流瞬態(tài)響應(yīng)、精確的電流跟蹤特性及全數(shù)字化控制，成為理想的電流控制策略.

但是無差拍控制存在著依賴精確的電氣模型和控制延時等不足.一方面，濾波電感值無法精確檢測，甚至隨著并網(wǎng)電流增加，濾波電感進(jìn)入飽和狀態(tài)，從而引起濾波電感值減小，這些都會導(dǎo)致模型中的濾波電感值與實(shí)際濾波電感值存在一定偏差，影響無差拍控制的控制精度，引起并網(wǎng)電流畸變[13-14]；另一方面，在無差拍電流控制下，采樣和計(jì)算的固有延時會導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器存在最大占空比受限的問題，因此系統(tǒng)多采用滯后一拍控制[15].而滯后一拍控制帶來的控制延時會增加系統(tǒng)開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的極點(diǎn)數(shù)，引起閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)極點(diǎn)的變化，這不僅影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還會對系統(tǒng)的動態(tài)性產(chǎn)生影響.因此，如何提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度以及降低并網(wǎng)電流的畸變，已成為并網(wǎng)逆變器的研究重點(diǎn)和目標(biāo).

文獻(xiàn)[16]提出一種電感在線辨識的電流預(yù)測控制方案，電感在線辨識控制策略在靜態(tài)和動態(tài)過程中能夠準(zhǔn)確地辨識電感的大小.文獻(xiàn)[17]提出了一種濾波電感參數(shù)的在線估計(jì)方法，從而可以防止傳統(tǒng)預(yù)測電流控制方法在濾波電感參數(shù)不匹配時可能出現(xiàn)的電流相位差和系統(tǒng)不穩(wěn)定問題.然而上述文獻(xiàn)均未考慮滯后一拍控制延時所帶來的問題.

預(yù)測電流控制技術(shù)被提出并用于補(bǔ)償延時[15， 18-19]，文獻(xiàn)[15]提出了一種應(yīng)用變步長自適應(yīng)濾波算法對輸入電流進(jìn)行預(yù)測控制的方法，解決了采樣及計(jì)算延時所帶來的變換器最大占空比受限問題.由于算法中的加權(quán)系數(shù)隨每個采樣周期預(yù)測誤差進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，所以算法具有較好的穩(wěn)態(tài)預(yù)測精度.文獻(xiàn)[18-19]提出線性預(yù)測方法，根據(jù)當(dāng)前和過去時刻的信息以及控制對象的模型，估計(jì)出下一拍的信息，該方法雖然消除了延時，但是依賴模型的準(zhǔn)確性，存在一定的估計(jì)誤差.

同時，采用電流觀測器預(yù)測下一拍電流[10， 20]，對電流參考進(jìn)行超前預(yù)測來實(shí)現(xiàn)延時補(bǔ)償.文獻(xiàn)[10]提出了采用基于重復(fù)控制思想的狀態(tài)觀測器對并網(wǎng)電流進(jìn)行預(yù)測的方法，解決了電流穩(wěn)定性受控制延時影響的問題，提高了并網(wǎng)電流預(yù)測精度.文獻(xiàn)[20]提出了一種改進(jìn)的自適應(yīng)自調(diào)節(jié)負(fù)載模型的無差拍電流控制方案，采用了改進(jìn)的具有延遲補(bǔ)償功能的無差拍電流控制器，實(shí)現(xiàn)了高帶寬電流控制特性，補(bǔ)償了整個系統(tǒng)的延遲.但是，由于參考電流變化的不確定性，使用單一預(yù)測算法在一些電流參考變化情況下，會造成較大的電流超調(diào)或相位滯后，使系統(tǒng)性能變差.

對此，本文首先介紹了并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).其次，提出了一種魯棒脈寬調(diào)制的無差拍并網(wǎng)控制方法，降低了因?yàn)V波電感值變化對并網(wǎng)電流造成的畸變，有效地解決了滯后一拍控制引入的延時問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及動態(tài)響應(yīng)速度.然后，考慮濾波電感的寄生電阻和線路等效電阻，通過分析濾波電感偏差系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，給出了合適的控制參數(shù)范圍.最后，搭建實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性.

1 并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制策略

1.1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

在并網(wǎng)逆變器的無差拍電流控制中，逆變器輸出濾波電感值變化和滯后一拍延時會直接影響并網(wǎng)電流的畸變率、系統(tǒng)穩(wěn)定性與動態(tài)響應(yīng)速度.對此，本文提出了一種魯棒脈寬調(diào)制的無差拍并網(wǎng)控制方法，包括電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制和魯棒脈寬調(diào)制.電壓外環(huán)采用PI控制，穩(wěn)定逆變器直流側(cè)電容電壓；電流內(nèi)環(huán)采用參數(shù)修正無差拍控制，降低了因?yàn)V波電感值變化對并網(wǎng)電流造成的畸變；魯棒脈寬調(diào)制有效地解決了滯后一拍控制引入的延時問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及動態(tài)響應(yīng)速度.

參考文獻(xiàn)

[1] 王成山， 武震， 李鵬. 微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2014， 29（2）： 1-12.

WANG C S， WU Z， LI P. Research on key technologies of microgrid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2014， 29（2）： 1-12. （In Chinese）

[2] 陳汝昌， 陳飛， 張帆， 等. 新能源電網(wǎng)中微電源并網(wǎng)控制策略研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2015， 43（12）： 55-60.

CHEN R C， CHEN F， ZHANG F， et al. Control strategies for gridconnected microsource in new energy power systems[J]. Power System Protection and Control， 2015， 43（12）： 55-60. （In Chinese）

[3] 楊新法， 蘇劍， 呂志鵬， 等. 微電網(wǎng)技術(shù)綜述[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2014， 34（1）： 57-70.

YANG X F， SU J， L Z P， et al. Overview on microgrid technology[J]. Proceedings of the CSEE， 2014， 34（1）： 57-70. （In Chinese）

[4] 易映萍， 羅海， 胡四全. 小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制策略的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2016， 44（4）： 64-68.

YI Y P， LUO H， HU S Q. Study on control scheme based on lowpower photovoltaic gridconnected inverter[J]. Power System Protection and Control， 2016， 44（4）： 64-68. （In Chinese）

[5] 楊苓， 羅安， 陳燕東， 等. LCL型逆變器的魯棒延時補(bǔ)償并網(wǎng)控制方法及其穩(wěn)定性分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2015， 39（11）： 3102-3108.

YANG L， LUO A， CHEN Y D， et al. A robust time delay compensated gridconnected control method for LCLtype inverter and stability analysis[J]. Power System Technology， 2015， 39（11）： 3102-3108. （In Chinese）

[6] 王久和， 慕小斌， 張百樂， 等. 光伏并網(wǎng)逆變器最大功率傳輸控制研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2014， 29（6）： 49-56.

WANG J H， MU X B， ZHANG B L， et al. Research on maximum power transfer control of photovoltaic grid connected inverters[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2014， 29（6）： 49-56. （In Chinese）

[7] PENG S J， LUO A， CHEN Y D， et al. Dualloop power control for singlephase gridconnected converters with LCL filter[J]. Journal of Power Electronics， 2011， 11（4）： 1-8.

[8] 高金輝， 邢倩. 無差拍控制的非隔離型并網(wǎng)逆變器漏電流分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2014， 42（9）： 120-125.

GAO J H， XING Q. Deadbeat control for transformerless PV grid inverter leakage current analysis[J]. Power System Protection and Control， 2014， 42（9）： 120-125. （In Chinese）

[9] 葉虹志， 姜燕， 黃守道， 等. 電壓型PWM整流器無差拍預(yù)測直接功率控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2015， 30（4）： 121-128.

YE H Z， JIANG Y， HUANG S D， et al. Deadbeat predictive direct power control for threephase voltage source PWM rectifiers[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2015， 30（4）： 121-128. （In Chinese）

[10]高吉磊， 黃先進(jìn)， 林飛， 等. 基于重復(fù)觀測器的PWM整流器無差拍控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2010， 25（6）： 47-54.

GAO J L， HUANG X J， LIN F， et al. Deadbeat control strategy for PWM rectifiers based on repetitive observer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2010， 25（6）： 47-54. （In Chinese）

[11]PICHAN M， RASTEGAR H， MONFARED M. Deadbeat control of the standalone fourleg inverter considering the effect of the neutral line inductor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2017， 64（4）： 2592-2601.

[12]BLAABJERG F， TEODORESCU R， LISERRE M， et al. Overview of control and grid synchronization for distributed power systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2006， 53（5）： 1398-1409.

[13]MORENO J C， HUERTA J M E， GIL R G， et al. A robust predictive current control for threephase gridconnected inverters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2009， 56（6）： 1993-2004.

[14]陳燕東， 羅安， 周樂明， 等. 一種功率前饋的魯棒預(yù)測無差拍并網(wǎng)控制方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2013， 33（36）： 62-70+10.

CHENY D， LUO A， ZHOU L M， et al. A robust predictive deadbeat gridconnected control method based on power feedforward control[J]. Proceedings of the CSEE， 2013， 33（36）： 62-70+10. （In Chinese）

[15]吳振興， 鄒云屏， 張哲宇， 等. 單相PWM整流器的輸入電流自適應(yīng)預(yù)測控制器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2010， 25（2）： 73-79.

WU Z X， ZOU Y P， ZHANG Z Y， et al. Adaptive predictive controller of supply current applied in singlephase PWM rectifier [J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2010， 25（2）： 73-79. （In Chinese）

[16]楊勇， 索跡， 祁春清， 等. 三相并網(wǎng)逆變器電感在線辨識控制[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報， 2011， 15（3）： 52-57.

YANG Y， SUO J， QI C Q， et al. Inductance online identification control for threephase gridconnected inverters[J]. Electric Machines and Control， 2011， 15（3）： 52-57. （In Chinese）

[17]孫向東， 任碧瑩， 鐘彥儒， 等. 濾波電感在線估計(jì)方法在預(yù)測電流控制中的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2009， 24（7）： 150-156.

SUN X D， REN B Y， ZHONG Y R， et al. An online estimation method of the filter inductance for a predictive current control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2009， 24（7）： 150-156. （In Chinese）

[18]BIBIAN S， HUA J. Time delay compensation of digital control for DC switch mode power supplies using prediction techniques[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2000， 15（5）： 835-842.

[19]孫鵬菊， 周雒維， 杜雄. 具有延時補(bǔ)償?shù)恼伎毡阮A(yù)測數(shù)字控制算法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2010， 25（5）： 123-128.

SUN P J， ZHOU L W， DU X. Duty ratio prediction control method with time delay compensation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2010， 25（5）： 123-128. （In Chinese）

[20]ESPI J M， CASTELLó J， GARCIAGIL R， et al. An adaptive robust predictive current control for threephase gridconnected inverters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2011， 58（8）： 3537-3546.

[21]徐志英， 許愛國， 謝少軍. 采用LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)入網(wǎng)電流控制技術(shù)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2009， 29（27）： 36-41.

XU Z Y， XU A G， XIE S J. Dualloop grid current control technique for gridconnected inverter using an LCL filter[J]. Proceedings of the CSEE， 2009， 29（27）： 36-41. （In Chinese）