一種魯棒脈寬調制的無差拍并網控制方法

楊苓 陳燕東 羅安 懷坤山 周樂明

摘 要：在并網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電流的畸變率、系統穩定性與動態響應速度.對此，本文提出了一種魯棒脈寬調制的無差拍并網控制方法，減小了因濾波電感值變化對并網電流造成的畸變，有效地解決了滯后一拍控制引入的延時問題，降低了系統閉環傳遞函數的特征根方程階次，提高了系統的穩定性及動態響應速度.分析了濾波電感偏差系數對系統性能的影響，得到系統臨界穩定的濾波電感偏差系數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論.綜合考慮系統的穩定性與動態響應速度，給出了關鍵控制參數的優化選取范圍.仿真和實驗結果驗證了所提方法的有效性.

關鍵詞：無差拍并網控制；魯棒脈寬調制；滯后一拍控制；穩定性；動態性

中圖分類號：TM464 文獻標志碼：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，新能源分布式發電技術越來越受到人們的重視[1-4]，其中，并網逆變器是分布式發電系統的核心部分[5-8]，其作用是將來自分布式電源的電能轉換為電網可接受的交流電能.而無差拍電流控制以并網逆變器數學模型為基礎，依賴于主電路的實際電氣參數，理論上可以實現無靜差控制[9-12].因其快速的電流瞬態響應、精確的電流跟蹤特性及全數字化控制，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，甚至隨著并網電流增加，濾波電感進入飽和狀態，從而引起濾波電感值減小，這些都會導致模型中的濾波電感值與實際濾波電感值存在一定偏差，影響無差拍控制的控制精度，引起并網電流畸變[13-14]；另一方面，在無差拍電流控制下，采樣和計算的固有延時會導致并網逆變器存在最大占空比受限的問題，因此系統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開環脈沖傳遞函數的極點數，引起閉環脈沖傳遞函數極點的變化，這不僅影響到系統的穩定性，還會對系統的動態性產生影響.因此，如何提高系統的穩定性、響應速度以及降低并網電流的畸變，已成為并網逆變器的研究重點和目標.

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

預測電流控制技術被提出并用于補償延時[15， 18-19]，文獻[15]提出了一種應用變步長自適應濾波算法對輸入電流進行預測控制的方法，解決了采樣及計算延時所帶來的變換器最大占空比受限問題.由于算法中的加權系數隨每個采樣周期預測誤差進行自適應調整，所以算法具有較好的穩態預測精度.文獻[18-19]提出線性預測方法，根據當前和過去時刻的信息以及控制對象的模型，估計出下一拍的信息，該方法雖然消除了延時，但是依賴模型的準確性，存在一定的估計誤差.

同時，采用電流觀測器預測下一拍電流[10， 20]，對電流參考進行超前預測來實現延時補償.文獻[10]提出了采用基于重復控制思想的狀態觀測器對并網電流進行預測的方法，解決了電流穩定性受控制延時影響的問題，提高了并網電流預測精度.文獻[20]提出了一種改進的自適應自調節負載模型的無差拍電流控制方案，采用了改進的具有延遲補償功能的無差拍電流控制器，實現了高帶寬電流控制特性，補償了整個系統的延遲.但是，由于參考電流變化的不確定性，使用單一預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或相位滯后，使系統性能變差.

對此，本文首先介紹了并網系統的結構.其次，提出了一種魯棒脈寬調制的無差拍并網控制方法，降低了因濾波電感值變化對并網電流造成的畸變，有效地解決了滯后一拍控制引入的延時問題，提高了系統的穩定性及動態響應速度.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對系統性能的影響，給出了合適的控制參數范圍.最后，搭建實驗平臺，進行實驗驗證，實驗結果驗證了所提方法的有效性.

1 并網系統的結構及控制策略

1.1 光伏并網系統的結構

4 結 論

在并網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電流的畸變率、系統穩定性與動態響應速度.對此，本文提出了一種魯棒脈寬調制的無差拍并網控制方法，包括電壓外環電流內環雙閉環控制和魯棒脈寬調制.電壓外環采用PI控制，穩定逆變器直流側電容電壓；電流內環采用參數修正無差拍控制，降低了因濾波電感值變化對并網電流造成的畸變；魯棒脈寬調制有效地解決了滯后一拍控制引入的延時問題，提高了系統的穩定性及動態響應速度.

參考文獻

[1] 王成山， 武震， 李鵬. 微電網關鍵技術研究[J]. 電工技術學報， 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. 新能源電網中微電源并網控制策略研究[J]. 電力系統保護與控制， 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. 微電網技術綜述[J]. 中國電機工程學報， 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. 小功率光伏并網逆變器控制策略的研究[J]. 電力系統保護與控制， 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償并網控制方法及其穩定性分析[J]. 電網技術， 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. 光伏并網逆變器最大功率傳輸控制研究[J]. 電工技術學報， 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逆變器漏電流分析[J]. 電力系統保護與控制， 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整流器無差拍預測直接功率控制[J]. 電工技術學報， 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， 林飛， 等. 基于重復觀測器的PWM整流器無差拍控制[J]. 電工技術學報， 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測無差拍并網控制方法[J]. 中國電機工程學報， 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預測控制器[J]. 電工技術學報， 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. 三相并網逆變器電感在線辨識控制[J]. 電機與控制學報， 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. 濾波電感在線估計方法在預測電流控制中的應用[J]. 電工技術學報， 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. 具有延時補償的占空比預測數字控制算法[J]. 電工技術學報， 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濾波器的并網逆變器雙閉環入網電流控制技術[J]. 中國電機工程學報， 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）