光伏并網(wǎng)逆變器H∞魯棒控制策略的研究

黃存榮，王 冰，程永樂，郝 巍

(1.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京211100；2.寧夏電投尚德太陽能發(fā)電有限公司，寧夏銀川751100)

光伏并網(wǎng)逆變器H∞魯棒控制策略的研究

黃存榮1，王 冰1，程永樂1，郝 巍2

(1.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京211100；2.寧夏電投尚德太陽能發(fā)電有限公司，寧夏銀川751100)

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，為了抑制逆變器參數(shù)不確定和電網(wǎng)干擾對輸出電能的影響，提出了基于H∞魯棒控制的光伏并網(wǎng)逆變器控制策略。在分析三相光伏并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型基礎上，建立了包含不確定參數(shù)和電網(wǎng)干擾的模型，基于系統(tǒng)性能要求選取加權函數(shù)，并求得廣義被控對象的狀態(tài)空間實現(xiàn)，通過求解代數(shù)Riccati方程，得到H∞魯棒控制器。通過仿真與傳統(tǒng)PI控制方法進行比較，驗證了該控制器對參數(shù)變化和電網(wǎng)干擾具有較強的魯棒性。

光伏并網(wǎng)逆變器；參數(shù)不確定；電網(wǎng)干擾；H∞控制；魯棒性

光伏并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換與控制的核心，它關系到并網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，影響整個電網(wǎng)的電能質(zhì)量[1]。目前，光伏并網(wǎng)逆變器控制策略主要包括空間矢量控制、PI控制[2-3]等，同時針對光伏逆變器非線性特征提出了各種非線性控制方法，如狀態(tài)反饋線性化、滑模控制等[4-5]。這些控制策略雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的良好控制，但在實際運行中，還必須考慮到逆變器參數(shù)不確定性和電網(wǎng)干擾的影響，要求并網(wǎng)逆變器具有良好的魯棒性能。

對于這一問題，本文采用H∞魯棒控制理論來解決。H∞魯棒控制理論作為現(xiàn)代魯棒控制理論中的一種重要方法，對外部擾動和模型參數(shù)不確定性具有較強的魯棒性，同時H∞控制具有解決多變量問題的能力，可直接應用于多輸入多輸出系統(tǒng)(multi-input multi-output，MIMO)[6-7]。仿真結(jié)果表明本文所設計的H∞魯棒控制器對逆變器參數(shù)不確定和電網(wǎng)干擾具有很好的抑制效果，輸出電流能夠滿足并網(wǎng)要求。

1 三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型

三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

2 三相光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略

當前H∞控制的研究成果主要集中于線性系統(tǒng)范疇，而根據(jù)式(1)可知三相光伏并網(wǎng)逆變器的模型為非線性、強耦合系統(tǒng)，無法直接設計H∞控制器。因此將三相光伏并網(wǎng)逆變器的控制器設計為電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖2 三相光伏并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 H∞魯棒控制器的設計

3.1 標準H∞控制框圖的設計

根據(jù)式(1)可得三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)的數(shù)學模型如下所示：

在實際的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器參數(shù)會存在不確定性，同時系統(tǒng)在運行過程中會受到來自電網(wǎng)電壓的外界干擾。首先考慮參數(shù)不確定性，假設參數(shù)和參數(shù)的偏差分別為Δ和Δ，即和可表示為：

采用將參數(shù)不確定性的影響轉(zhuǎn)化為相應等效干擾的方法，令：

可得三相光伏并網(wǎng)逆變器在參數(shù)不確定性和電網(wǎng)電壓干擾下的系統(tǒng)模型為：

設計電流環(huán)H∞魯棒控制器的控制目標是抑制模型參數(shù)變化和外界干擾的影響，使得并網(wǎng)電流有效地跟蹤期望值(dref和qref)，以獲得較小的總諧波畸變率(total harmonic distortion，THD)，因此選擇系統(tǒng)狀態(tài)變量，干擾變量，測量輸出變量，控制輸入變量，則根據(jù)圖2和式(6)可以得到如下狀態(tài)方程：

其中：

根據(jù)標準H∞控制問題模型設計出三相光伏并網(wǎng)逆變器H∞控制框圖，如圖3所示。其中：為根據(jù)系統(tǒng)性能要求選取的加權函數(shù)；為評價輸出；P為被控對象，K為控制器。

圖3 三相光伏并網(wǎng)逆變器H∞控制框圖

3.2 廣義被控對象的狀態(tài)空間實現(xiàn)

設3個加權函數(shù)的狀態(tài)空間實現(xiàn)分別為

則可求得：

得到廣義被控對象的狀態(tài)空間實現(xiàn)為：

其中：

3.3 加權函數(shù)的選擇與控制器的求取

確定了加權函數(shù)后，首先將3個加權函數(shù)狀態(tài)空間實現(xiàn)為式(8)形式，然后將逆變器參數(shù)=4.5 mH、=0.2 Ω代入式(7)，式 (12)求得廣義被控對象的狀態(tài)空間實現(xiàn)。最后通過Matlab魯棒工具箱求解2個代數(shù)Riccati方程[8]，得到一個8階的魯棒H∞控制器，為便于實現(xiàn)，利用Reduce函數(shù)進行降階處理，所得控制器為：

4 仿真分析

在Matlab/Simulink平臺中建立三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型進行仿真，將本文的H∞魯棒控制策略與傳統(tǒng)的雙閉環(huán)PI控制方法進行比較。仿真參數(shù)：電網(wǎng)線電壓為380 V；電網(wǎng)電壓頻率為50 Hz；濾波電感為4.5 mH；電阻為0.2 Ω；直流側(cè)電容為2 000 μF；直流側(cè)電壓為600 V，逆變器開關頻率為10 kHz。

在模型參數(shù)精確且無電網(wǎng)電壓干擾的情況下，PI控制器和本文所設計H∞魯棒控制器的控制效果如圖4所示，圖中為A相電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流。為清晰地觀察電流波形，將其幅值放大了5倍，可見二種控制器均能使并網(wǎng)電流較好地跟蹤指令信號，與電網(wǎng)電壓保持同步，滿足單位功率因素并網(wǎng)要求。

圖4 模型參數(shù)精確且無電網(wǎng)干擾時的仿真結(jié)果

從圖5和圖6可以看出當逆變器參數(shù)發(fā)生變化，電網(wǎng)電壓存在擾動時，使用PI控制器的并網(wǎng)電流波形發(fā)生嚴重的畸變，THD達到6.50%，不符合并網(wǎng)要求，魯棒性較差；而采用本文的H∞魯棒控制器時，電流波形質(zhì)量很好，THD降到了2.29%，滿足并網(wǎng)要求，魯棒性較強。

圖5 模型參數(shù)變化且有電網(wǎng)干擾時的并網(wǎng)電流

圖6 模型參數(shù)變化且有電網(wǎng)干擾時的并網(wǎng)電流頻譜圖

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Research on H∞r(nóng)obust control of photovoltaic grid-connected inverter

In order to suppress the influences of inverter parameters uncertainty and grid disturbances to the output power quality,the control strategy of photovoltaic grid inverter based on H∞r(nóng)obust control was proposed.Based on analysis of the three-phase photovoltaic grid inverters mathematical model,a modified model was constructed,which contained uncertain parameters and grid disturbances.The weighting function was selected according to the requirements of system performance, and the generalized state-space realization of the controlled object was calculated.The H∞controller was obtained by solving algebraic Riccati equations.Compared with the traditional PI controller, the simulations verify that the controller has strong robustness about parameters variations and grid disturbances.

photovoltaic grid-connected inverter;parameters uncertainty;grid disturbances;H∞control;robustness

TM 615

A

1002-087 X(2016)03-0607-03

2015-08-15

國網(wǎng)科技項目(規(guī)模化光伏發(fā)電運行控制關鍵技術研究與示范)

黃存榮(1989—)，男，安徽省人，碩士研究生，主要研究方向為光伏發(fā)電與新能源技術。