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        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

        2023-01-04 12:50:38劉向辰馬曉婧
        上海電氣技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:觀測器滑模控制策略

        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)者針對并網(wǎng)逆變器的控制策略進行了深入探討、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)逆變器對高頻信號具有更好的抑制作用,但同時存在諧振峰值問題[5]。針對這一問題,文獻(xiàn)[6]提出一種改進型諧振峰值抑制器,將諧振峰值抑制器加入LCL型并網(wǎng)逆變器,可以對固有諧振峰值進行有效抑制。文獻(xiàn)[6]同時引入網(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)時間長、穩(wěn)定性差的問題,對此,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)頻率波動對并網(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)逆變器雖然對網(wǎng)側(cè)高頻噪聲信號有更好的抑制作用,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)計一個諧振峰值抑制器,加入LCL型并網(wǎng)逆變器,由此會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,可以對直流側(cè)濾波電容功率和負(fù)載功率分別進行控制。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)載波動和線路故障等原因,電網(wǎng)電壓頻率會出現(xiàn)一定幅度的波動,頻率波動必然會影響并網(wǎng)逆變器直流功率控制的性能。為了降低并網(wǎng)系統(tǒng)對電網(wǎng)頻率的依賴性,將由電網(wǎng)頻率波動產(chǎn)生的電壓誤差信號反饋至前端進行補償,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,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)波動時,仍然能夠保持較高的觀測精度。

        為了進一步分析所提控制策略在電網(wǎng)頻率波動時的控制性能,令交流側(cè)負(fù)載在0.1 s時突增為原來的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)電流動態(tài)仿真波形如圖5所示。

        圖5 A相并網(wǎng)電流動態(tài)仿真波形

        由圖5可見,當(dāng)交流側(cè)負(fù)載在0.1 s時突增為原來的2倍時,采用直流功率控制,A相并網(wǎng)電流動態(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)電流動態(tài)仿真波形與電網(wǎng)頻率為50 Hz時相同。

        6 試驗分析

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

        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)電壓試驗波形如圖6所示。

        圖6 并網(wǎng)電流與直流側(cè)電壓試驗波形

        由圖6可見,在電網(wǎng)頻率出現(xiàn)波動、交流側(cè)負(fù)載突增時,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)時間較長,超調(diào)量最大為22.5%,調(diào)節(jié)時間為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)對電網(wǎng)頻率的依賴性,有效抑制網(wǎng)側(cè)頻率波動對并網(wǎng)逆變器直流功率控制的影響,進而提高并網(wǎng)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)態(tài)控制性能和動態(tài)控制性能,并保證抗頻率干擾能力。

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