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        改進一階LADRC的微網(wǎng)逆變器零序環(huán)流抑制

        2022-12-02 09:46:06周雪松郭凱瑞馬幼捷鐘偉寶
        電氣傳動 2022年23期
        關(guān)鍵詞:改進型零序環(huán)流

        周雪松,郭凱瑞,馬幼捷,鐘偉寶

        (1.天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜控制理論重點實驗室,天津 300384;2.天津理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院,天津 300384)

        隨著世界能源的短缺,微電網(wǎng)因優(yōu)化了分布式能源的終端效率成了當(dāng)前關(guān)注的熱點[1-2]。微電網(wǎng)通常采用電力電子變換器作為微源電能變換的接口。隨著系統(tǒng)所需容量增大,傳統(tǒng)的單臺逆變器易受到開關(guān)頻率等限制達不到滿意的輸出功率。因此,在高功率應(yīng)用中采用模塊化并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)成為一個理想趨勢[3]。將電壓源進行模塊化并聯(lián)后,增加了系統(tǒng)容量,但兩逆變器間形成了零序環(huán)流(zero-sequence circulating current,ZSCC)的路徑。當(dāng)系統(tǒng)線路參數(shù)不相等、開關(guān)動作不一致時,形成的零序電壓作用于逆變器之間的等效電阻便會產(chǎn)生零序環(huán)流[4-6]。零序環(huán)流嚴重影響系統(tǒng)輸出的電流質(zhì)量,因此抑制零序環(huán)流是一項重要的工作。

        近年來,國內(nèi)外學(xué)者對零序環(huán)流抑制方法的研究主要有兩方面:一方面是硬件上通過交流側(cè)放置隔離變壓器抑制形成環(huán)流通路[7],然而隔離變壓器體積大、成本高,不具有實用性。另一方面從控制的角度考慮。文獻[8]針對零序環(huán)流形成機理的分析,采用了比例積分(proportional-in?tegral,PI)控制的方法來抑制零序環(huán)流。PI控制器的適用范圍大,但會受到帶寬限制達不到最佳性能。文獻[9]中將PI控制與前饋控制相結(jié)合對零序電流環(huán)的帶寬進行了擴展,提高了環(huán)流控制效果。文獻[10]設(shè)計了零序環(huán)流自抗擾控制器,將變零矢量策略與線性自抗擾控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)結(jié)合,引入線性擴張狀態(tài)觀測器(linear expansion state observer,LESO)對系統(tǒng)的總擾動進行觀測補償,有效抑制環(huán)流。

        本文搭建了兩臺微網(wǎng)逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)模型,分析了零序環(huán)流產(chǎn)生的機理。提出了一種基于觀測誤差補償總擾動的改進型線性自抗擾控制策略,在線性擴張狀態(tài)觀測器(LESO)估計總擾動后,采用誤差補償?shù)乃枷耄ㄟ^改進控制律來減小觀測器的誤差,準(zhǔn)確地補償外部擾動,以提高控制器的性能,更好地抑制零序環(huán)流。

        1 并聯(lián)三相逆變器系統(tǒng)建模厔變零矢量調(diào)制廳理

        1.1 并聯(lián)三相逆變器系統(tǒng)建模

        搭建了如圖1所示的兩臺共直流母線的微網(wǎng)逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖。

        圖1 微網(wǎng)逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Parallel structure diagram of microgrid inverter

        圖1中,idc為直流側(cè)電容器的電流;udc為直流側(cè)母線電壓;C為總線濾波電容器;Llj(l=1,2,3,4,5,6;j=1,2)分別為開關(guān)管;Lj,Rj分別為第j臺逆變器的等效濾波電感及電阻器;uaj,ubj,ucj和iaj,ibj,icj為第j臺逆變器的輸出電壓和輸出電流;ea,eb,ec為交流側(cè)三相電壓。

        系統(tǒng)中零序環(huán)流為

        式中:izj為第(jj=1,2)臺逆變器的零序環(huán)流。

        相應(yīng)的可將零序占空比定義為dzj=daj+dbj+dcj,零序電網(wǎng)電壓定義為ez=ea+eb+ec。

        根據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu),結(jié)合基爾霍夫定律可以得到如下狀態(tài)方程:

        式中:uN為每相橋臂的中性點電壓;daj,dbj,dcj為逆變器j的每相橋臂的占空比。

        為獲取零序分量,從abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到dqz坐標(biāo)系的狀態(tài)空間方程為

        式中:ω為電網(wǎng)側(cè)的基波角頻率。

        兩臺逆變器零序電流大小相等方向相反,因此可得iz=iz1=-iz2,結(jié)合式(3)得到零序環(huán)流的狀態(tài)空間方程為

        根據(jù)式(4)可知,零序環(huán)流的存在與零序占空比、系統(tǒng)的硬件參數(shù)和直流側(cè)電容電壓有著對應(yīng)關(guān)系。

        1.2 零序環(huán)流變零矢量調(diào)制

        空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation,SVPWM)策略中的空間狀態(tài)矢量由六個非零矢量和兩個零矢量組成。設(shè)一個開關(guān)周期內(nèi)d2,d3分別為非零矢量U2,U3的占空比,d0為零矢量U0與U7總的占空比,則1=d0+d2+d3。不同的控制方法下,U0與U7分別對應(yīng)的占空比不同,但d0不變。系統(tǒng)輸出不會因零矢量作用時間的變化而改變,因此可調(diào)節(jié)U0和U7分別對應(yīng)的占空比來改變零序占空比,從而減小零序環(huán)流。

        PWM逆變器零序占空比為[11]

        使用零矢量分配因子k后重新調(diào)整其作用時間,使兩臺逆變器零序占空比差值為零,開關(guān)管動作一致從而抑制零序通道的形成。變零矢量調(diào)節(jié)后的三相占空比分配如圖2所示,其中Sj(j=a,b,c)為開關(guān)函數(shù),T為開關(guān)周期。調(diào)節(jié)后的零序占空比為

        圖2 變零矢量SVPWM的三相占空比Fig.2 Three-phase duty cycle of variable zero vector SVPWM

        本文將抑制逆變器1的環(huán)流,令k1,k2分別為第一、二臺逆變器的零矢量分配因子,k2=0。理想條件下可得到零序環(huán)流的數(shù)學(xué)模型如下所示:

        選用合適的控制器后便可得到k1。

        2 零序電流環(huán)改進型LADRC控制器的設(shè)計

        傳統(tǒng)LADRC主要由線性跟蹤微分器(linear tracking differentiator,LTD)、線性擴張狀態(tài)觀測器(LESO)以及線性狀態(tài)誤差反饋控制律(linear state error feedback,LSEF)組成。其中LTD主要用于安排過渡過程,系統(tǒng)產(chǎn)生的零序環(huán)流需要快速跟蹤給定電流,因此不使用LTD。LSEF綜合干擾估計補償并產(chǎn)生控制信號。LADRC控制器將系統(tǒng)的未知擾動、參數(shù)不確定性和耦合都歸算于總擾動,通過LESO對其觀測來估計補償總擾動,然后利用LSEF將積分串聯(lián)型系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為期望的閉環(huán)系統(tǒng),由此可以得到期望的閉環(huán)動態(tài)特性,并且不受限于被控對象的具體數(shù)學(xué)模型。

        文中選用改進型LADRC控制器來獲取k1。下面對改進型LADRC控制器進行設(shè)計。

        2.1 LADRC控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

        假設(shè)udc恒定,式(7)可以看做是一階系統(tǒng),被控對象的狀態(tài)方程可寫為

        式中:a0為該系統(tǒng)的參數(shù);w視為未知擾動;b為系統(tǒng)輸入的控制器增益,可將b0作為它的已知部分;u為控制器的輸出;y為被控對象的輸出。

        令x1=y而(fy,w)=-a0y+w+(b-b0)u為系統(tǒng)的總擾動,h為總擾動的微分。系統(tǒng)的狀態(tài)方程可列為

        建立二階LESO的狀態(tài)方程:

        式中:z1為y的跟蹤值;z2為總擾動f的跟蹤值;β1,β2為LESO的增益系數(shù),選取合適的β1,β2使LESO能夠?qū)崟r跟蹤系統(tǒng)中的各個變量。

        狀態(tài)觀測器對應(yīng)的特征方程為

        設(shè)LESO的帶寬為ω0,為了便于控制器的設(shè)計,將極點配置在觀測器的帶寬處可得:

        該系統(tǒng)設(shè)計的是一階LADRC,不存在對狀態(tài)變量微分的觀察,線性狀態(tài)誤差反饋算法為

        式中:kp為比例控制系數(shù);v為零序環(huán)流的給定值。

        傳統(tǒng)LSEF的設(shè)計為

        假設(shè)z2能夠很好地跟蹤上總擾動(fy,w),則系統(tǒng)可以補償為一個串聯(lián)積分的形式:

        由式(13)~式(15)可得系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù):

        令ωc為比例控制器的帶寬,根據(jù)極點配置同樣可以得到kp=ωc。

        2.2 線性狀態(tài)誤差反饋控制律的改進設(shè)計

        根據(jù)式(15)可知,LADRC通過LESO對總擾動的實時估計來進行擾動補償,所以總擾動的不確定性對LESO有著關(guān)鍵的影響。因此,研究LADRC控制器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使其能夠減小觀測誤差,準(zhǔn)確補償外擾,具有重要現(xiàn)實意義。

        2.2.1 總擾動對LESO影響的分析

        定義二階LESO的估計誤差為

        由式(9)、式(10)可得估計誤差的狀態(tài)空間方程為

        經(jīng)過拉普拉斯變換后可得總擾動與估計誤差之間的傳遞函數(shù)為

        由式(19)可得,總擾動的不確定性與LESO的估計誤差產(chǎn)生有著唯一聯(lián)系。本文將采用改進LSEF來補償擾動項,減小擾動信號對閉環(huán)系統(tǒng)的影響。

        2.2.2 LSEF的改進

        考慮LESO的估計誤差后實際所對應(yīng)的系統(tǒng)為

        將理想閉環(huán)外的誤差項定義為

        將其誤差項抵消后,理想閉環(huán)系統(tǒng)為

        帶有LESO估計誤差補償?shù)腖SEF控制器的輸出為

        E為一個理想誤差,無法直接獲取到,可將E轉(zhuǎn)換為已知變量的函數(shù),根據(jù)式(17)、式(18)可得:

        式(25)經(jīng)過拉普拉斯反變換并帶入式(22)可得:

        誤差e1可直接獲取,進行不完全誤差補償,忽略無法直接得到的微分項,則

        式中:為忽略微分項的誤差,即不完全誤差。改進后的LSEF控制器的輸出為

        改進后的一階LADRC結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

        圖3 改進型一階LADRC結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Improved first-order LADRC structure diagram

        3 改進型一階LADRC控制器的性能分析

        3.1 抗擾性分析

        LADRC的設(shè)計主要是參數(shù)ω0和ωc的設(shè)計,下面分析兩個參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響[12]。

        在頻域中控制器的輸出可表示為

        設(shè)置:

        可得到簡化后的結(jié)構(gòu)框圖,如圖4所示。

        圖4 系統(tǒng)簡化框圖Fig.4 Simplified block diagram of the system

        系統(tǒng)的輸出表示為

        根據(jù)式(32)可知,系統(tǒng)的輸出由輸入項(V(s)項)和擾動項(F(s)項)組成。當(dāng)忽略擾動項時,其控制性能僅與ωc有關(guān),ωc越大,系統(tǒng)跟蹤的能力越強。擾動項主要與ω0和ωc有關(guān),直接影響了LADRC的性能[13]。取ω0=100,ωc=10,50,100,200時,頻域特性曲線如圖5所示。取ωc=100,ω0=10,50,100,200時,所對應(yīng)的頻域特性曲線如圖6所示。

        圖5 輸出擾動項頻域變化曲線(ωc改變)Fig.5 The frequency domain variation curves of the disturbance term is output(ωcchange)

        圖6 輸出擾動項頻域變化曲線(ω0改變)Fig.6 The frequency domain variation curves of the disturbance term is output(ω0change)

        根據(jù)圖5、圖6擾動項頻域變化曲線可知,幅頻特性曲線中,隨著ω0和ωc的增加,中低頻段擾動增益逐漸減小,高頻段擾動增益基本一致;相頻特性曲線中,信號的相位滯后現(xiàn)象也在不斷減小。因此ω0和ωc的增加使得系統(tǒng)的抗擾性增強。

        取F(s)=1∕s時,帶入式(32)中擾動項可得輸出響應(yīng)為

        經(jīng)過拉普拉斯反變換得:

        式(34)求極限后結(jié)果為零,可知在穩(wěn)定狀態(tài)時系統(tǒng)外部階躍擾動項輸出為零,也證實了改進型LADRC具有較好的抗擾性。將改進型LADRC控制與并聯(lián)系統(tǒng)相結(jié)合,根據(jù)環(huán)流的頻域模型得到系統(tǒng)的負反饋控制結(jié)構(gòu)圖,如圖7所示。

        圖7 負反饋控制結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Negative feedback control structure drawing

        根據(jù)圖7可寫出閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù):

        兩種不同控制方法下的系統(tǒng)輸出擾動項頻域變化曲線如圖8所示。中低頻段改進型LADRC的擾動增益小于傳統(tǒng)LADRC,表明了改進型LADRC抗干擾性更強。高頻段兩條擾動項頻域變化曲線均收斂。

        圖8 兩種控制方法的輸出擾動項頻域變化曲線Fig.8 The frequency domain variation curves of the output disturbance term of the two control methods

        3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

        零序環(huán)流系統(tǒng)輸入項的傳遞函數(shù)為

        其中

        式中,ω0>0,ωc>0,udc>0,L>0,b0=6udc/L,所以式(37)中的ai>0(i=0,1,2,3,4),根據(jù)李納德-奇帕特穩(wěn)定性準(zhǔn)則,該系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件為

        根據(jù)本文所設(shè)計的控制策略,得到兩臺逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的整體控制框圖,如圖9所示。兩臺逆變器分別由獨立的控制器所控制,且控制參數(shù)相同。不同的是第二臺逆變器采用傳統(tǒng)的SVP?WM調(diào)制方法生成占空比,而第一臺逆變器中需要對零序環(huán)流進行單獨的控制,通過改進LADRC控制器生成零矢量分配因子后改變第一臺逆變器零矢量占空比,使兩臺逆變器占空比之差為零,系統(tǒng)的零序環(huán)流得以抑制。

        圖9 基于改進型LADRC的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.9 System control structure diagram based on improved LADRC

        4 仿真對比

        為了驗證以上提出的改進型LADRC策略對零序環(huán)流的控制效果,基于Matlab∕Simulink平臺搭建了微網(wǎng)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)仿真模型,并進行了驗證。

        仿真模型逆變器1、逆變器2的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置相同,設(shè)置如下:交流側(cè)線電壓380 V,額定頻率50 Hz,直流側(cè)母線電壓620 V,直流側(cè)電容器容量 1 800 μF,等效電阻 0.01 Ω。

        控制器參數(shù)設(shè)置如下:比例系數(shù)kp=10,積分系數(shù)ki=128,觀測器帶寬ω0=150,控制器帶寬ωc=800。

        4.1 工況一

        從理論上分析,兩個并聯(lián)模塊的系統(tǒng)參數(shù)及控制參數(shù)相同時,該系統(tǒng)中的占空比之差應(yīng)為零,開關(guān)動作一致,沒有零序環(huán)流的存在。當(dāng)交流側(cè)電感值L1=L2=5 mH時,分別得出系統(tǒng)在沒有零序環(huán)流控制、傳統(tǒng)LADRC控制以及改進型LADRC控制下零序環(huán)流的波形,如圖10所示。

        圖10 無控制、傳統(tǒng)及改進LADRC控制的零序環(huán)流波形(工況一)Fig.10 ZSCC waveforms under uncontrolled,traditional and improved LADRC control(condition 1)

        從圖10中可以看出雖然系統(tǒng)參數(shù)、控制器參數(shù)均一致但系統(tǒng)中仍然有零序環(huán)流的存在。0.5~0.6 s期間在沒有采取控制策略時,零序環(huán)流的值相對較大,峰值可達5 A。采用傳統(tǒng)LADRC控制策略時,零序環(huán)流的峰值為1.5 A。當(dāng)零序電流環(huán)采用改進型LADRC控制時,零序環(huán)流的抑制效果明顯比傳統(tǒng)LADRC的效果更好,峰值為0.24 A。

        4.2 工況二

        在實際的情況下,線路參數(shù)不可能完全一致,系統(tǒng)中存在的環(huán)流更嚴重,假設(shè)線路參數(shù)L1=6.3 mH,L2=5 mH時,取0.5~0.6 s期間零序環(huán)流波形,如圖11所示。從圖11可以看出,當(dāng)線路參數(shù)差異變大時,零序環(huán)流的幅值也變大了,無控制策略的情況下,環(huán)流峰值可達到7 A。傳統(tǒng)LADRC控制及本所提出的控制策略均有效果,采用傳統(tǒng)LADRC控制器環(huán)流峰值為3.97 A,本文設(shè)計的控制器下零序環(huán)流可被抑制在峰值為0.72 A。

        圖11 無控制、傳統(tǒng)及改進型LADRC控制的零序環(huán)流波形(工況2)Fig.11 ZSCC waveforms under uncontrolled,traditional and improved LADRC control(condition 2)

        針對以上兩種工況,零序環(huán)流的抑制能力對比如表1所示,可以看出改進LADRC相對于傳統(tǒng)LADRC使零序環(huán)流下降的百分比更多,抑制能力更好。

        表1 線路參數(shù)影響下零序環(huán)流抑制效果對比Tab.1 Comparison of inhibition effect of ZSCC under the influence of line parameters

        4.3 工況三

        以網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生跌落故障為例,驗證零序環(huán)流的抑制效果。使電網(wǎng)側(cè)電壓從0.5~0.8 s跌落40%,可以得到并網(wǎng)點電壓波形及零序環(huán)流變化波形,如圖12所示。當(dāng)電網(wǎng)電壓下降40%時,傳統(tǒng)LADRC控制下的零序環(huán)流在0.5~0.8 s的振蕩幅度明顯大于改進型LADRC控制下的零序環(huán)流,由此可知采用改進型LADRC策略對零序環(huán)流的抑制具有更好的抗干擾能力。

        圖12 電網(wǎng)電壓跌落40%時傳統(tǒng)及改進LADRC控制的零序環(huán)流Fig.12 ZSCC controlled by traditional and improved LADRC when the grid voltage drops 40%

        將工況三的具體對比總結(jié)為表2,可知無論是故障前穩(wěn)態(tài)時的峰值還是故障時環(huán)流的峰值,采用改進型LADRC控制策略其值均小于傳統(tǒng)LADRC控制。并且在故障時改進型LADRC控制的零序環(huán)流上升了66.67%,相比于傳統(tǒng)LADRC明顯上升幅度更小。

        表2 電壓跌落40%時兩種方法控制效果對比Tab.2 Comparison of the control effects of the two methods when the voltage drop is 40%

        5 結(jié)論

        針對微網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器并聯(lián)時產(chǎn)生的零序環(huán)流問題,提出了一種基于觀測誤差補償總擾動的改進型LADRC控制策略。

        通過對兩臺PWM逆變器并聯(lián)模型的分析得到零序環(huán)流數(shù)學(xué)模型,推出引起零序環(huán)流的主要原因是兩臺逆變器的濾波參數(shù)和占空比存在差異。為了消除這些差異,設(shè)計了改進型一階LADRC控制器替換傳統(tǒng)的LADRC控制器。

        所提出控制策略的優(yōu)點在于,針對二階LE?SO觀測擾動時存在的誤差進行補償,得到更準(zhǔn)確的零矢量分配因子,調(diào)節(jié)了占空比的差異,從而有效地抑制了零序環(huán)流。

        仿真結(jié)果驗證了該控制策略對零序環(huán)流抑制的參考作用,同時也驗證了在電網(wǎng)電壓跌落期間該控制器具有更強的抗擾動能力。該控制策略可以擴展到N臺逆變器并聯(lián)系統(tǒng),只需將N-1臺逆變器中添加此控制器即可。但是該控制器對于系統(tǒng)的輸出依舊存在相位滯后的問題,今后將會對這一部分進行主要研究。

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