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并网正弦波逆变器并联系统的鲁棒控制与环流分析

对应用于并网正弦波逆变器并联系统的鲁棒控制策略进行研究和设计,在分析并联系统的电路结构和环流特点的基础上,提出简单的单桥臂控制方法。

 

采用基于H∞控制的结构奇异值综合方法,抑制各种不确定性的影响,使并网并联系统的稳定性和性能得到提高,实现并网电流的准确控制和环流的抑制。同时,给出系统稳定运行的不确定性范围,所设计的控制器在给定范围内能保证系统稳定运行。仿真与实验结果验证了控制方案的有效性。

 

近年来,利用可再生能源发电的分布式发电技术得到了越来越多的重视和应用。分布式发电系统通常通过并网正弦波逆变器和电网连接,并按要求向电网输送有功和无功功率。作为接口设备,并网正弦波逆变器的作用是准确控制注入电网的电流成正弦波形,从而实现规定的有功和无功功率的输送。因此,并网正弦波逆变器的控制方法就成为分布式发电领域的研究热点之一[1]。

 

当在并网模式下运行时,控制方法主要分为间接电流控制和直接电流控制两大类。由于电压谐波和参数变化等不确定因素的影响,间接电流控制方法的电流波形控制难度很大,容易产生畸变。所以,目前并网正弦波逆变器一般采用直接电流控制,其动态响应快、鲁棒性较强。但由于正弦波逆变器的非线性特性和参数不确定性等影响,采用直接电流控制也会出现并联环流、波形畸变等问题。因此,国内外研究者着力于采取多种改进型直接电流控制方法以提高系统的控制性能。

 

文献[5]讨论了三相正弦波逆变器并网问题,并采用H∞控制器提高电网线路感抗变化时并网电流控制的鲁棒性。文献[6]采用状态反馈控制,同时为了减少传感器,使用了状态观测器。文献[7]比较了采用PI、PR和无差拍控制的单相光伏并网正弦波逆变器的控制性能。文献[8]采用模型预测控制方法提高了系统的快速响应性和参数鲁棒性。文献[9]采用自校正预测控制,实时修改预测模型,进一步提高了系统的鲁棒性。以上直接电流控制方法一定程度上提高了系统的控制性能和鲁棒性,但均没有考虑共直流母线正弦波逆变器并联系统的环流问题。

 

随着分布式发电系统功率等级的提高,接口正弦波逆变器的并联运行成为必然的选择。当共直流母线的多台正弦波逆变器并联运行时,单元间互相影响,并联系统为耦合系统。该类系统中多种环流成分共同存在,严重影响系统的正常运行,其中零序环流最为突出。因此,抑制环流成为并联系统控制的突出问题。

 

环流产生的根本原因是单台正弦波逆变器控制性能具有一定限制,当外部干扰、不确定因素影响及耦合作用共同作用到系统上时,系统性能的下降就会明显地表现出来。所以,提高单台正弦波逆变器的控制性能和鲁棒性是减小耦合系统中其他正弦波逆变器对其影响、抑制环流的最直接有效的方法。

 

近些年有学者尝试将H∞ 控制方法应用于正弦波逆变器控制领域。文献[13]考虑电网电压扰动、非线性负载电流等不确定性,对四桥臂正弦波逆变器设计H∞ 控制器进行中线电流和输出电压控制。文献[14]在线路阻抗和负载有较大不确定性下,对比了基于自适应增益规划的瞬时均流控制器与基于混合灵敏度设计和结构奇异值方法的鲁棒控制器的均流性能。上述表明H∞ 控制是针对系统不确定性以提高系统控制鲁棒性的有效方法。

 

本文将深入探讨单台正弦波逆变器的H∞控制器的设计方法。首先分析共直流母线并联正弦波逆变器系统的电路结构和环流特点,得出用于鲁棒控制器设计的系统的解耦数学模型。在此基础上进行H∞控制器的设计,应用综合方法,使所设计的控制器具有较高的控制性能和较强的鲁棒性,实现了对环流的有效抑制。最后对控制器进行离散化处理,结果验证了该设计方法的合理性和有效性。

 单相正弦波逆变器并联拓扑结构图

图1 单相正弦波逆变器并联拓扑结构


结论

本文将H∞控制器设计方法应用于正弦波逆变器并联系统。通过对并网正弦波逆变器并联系统的分析,将复杂的环流控制问题归结为单桥臂电流控制问题。通过得到一个高性能、强鲁棒性的控制器,实现了电流的准确控制和环流的有效抑制。通过几组对比实验,验证了本文所提控制方法对并联系统优越的控制效果,证明了该方法的可行性,并得到以下结论: 

1)H∞控制方法适用于不确定性(参数变化及外部干扰)在小范围内变化的系统,与PI控制相比,H∞控制能显著增强控制的鲁棒性,保持较高的控制性能。 

2)本文所提方法将不易准确测量的变量(网侧电压)当作干扰处理,得到了较好的控制效果,对其他相关控制系统设计具有较好的参考价值。

3)需精心设计权函数、合理估计不确定性范围,从而保证得到高性能的控制器。

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