基于频率自适应滑模观测器的并网逆变器直流功率控制

刘向辰 马晓婧

兰州石化职业技术大学 汽车工程学院 兰州 730060

1 研究背景

并网逆变器是光伏发电产业的一个重要环节,其控制性能好坏直接影响所发电能质量的优劣。国内外专家学者针对并网逆变器的控制策略进行了深入探讨、研究和分析。目前,常见的并网逆电器控制策略主要有以下三种:网侧电流控制[1-2]、网侧功率控制[3]、直流电压控制[4]。

与L型并网逆变器相比,LCL型并网逆变器对高频信号具有更好的抑制作用,但同时存在谐振峰值问题[5]。针对这一问题,文献[6]提出一种改进型谐振峰值抑制器,将谐振峰值抑制器加入LCL型并网逆变器,可以对固有谐振峰值进行有效抑制。文献[6]同时引入网侧电压前馈控制策略,能够有效提高系统的抗干扰能力。并网逆变器传统控制策略存在响应时间长、稳定性差的问题,对此,文献[7]提出一种基于LC滤波电流的并网逆变器双环控制方案。这一方案首先将网侧峰值电压谐波分量反馈至滤波器端,形成内环控制。然后将滤波电流反馈至输入端,形成外环控制。通过双环控制,可以得到并网逆变器理想的电压波形[8]。文献[9]提出一种基于自适应神经网络算法的LCL型并网逆变器模型预测控制方案。这一方案首先建立基于有限控制集—模型预测控制[10-11]的并网逆变器数学模型,在此基础上,采用自适应线性神经网络算法[12],能够有效解决模型预测控制建模误差和控制延时的问题。

在以上文献研究的基础上,笔者提出一种基于频率自适应滑模观测器的并网逆变器直流功率控制策略。这一控制策略能够有效降低网侧频率波动对并网逆变器直流功率控制的影响,提高并网系统的稳定性和抗频率干扰能力。

2 L型并网逆变器拓扑结构

LCL型并网逆变器虽然对网侧高频噪声信号有更好的抑制作用,但是却存在谐振峰值的问题。为了抑制谐振峰值,还需要设计一个谐振峰值抑制器,加入LCL型并网逆变器,由此会提高控制难度和成本。笔者提出的基于频率自适应滑模观测器的并网逆变器直流功率控制策略,以L型并网逆变器为控制对象。L型并网逆变器的拓扑结构如图1所示。

图1 L型并网逆变器拓扑结构

3 并网逆变器直流功率控制原理

并网逆变器的直流侧输入功率包括电容功率和负载功率两部分,可以对直流侧滤波电容功率和负载功率分别进行控制。并网逆变器直流功率控制原理如图2所示,通过外环功率控制和内环功率控制,降低比例积分控制器参数整定的难度,控制简便准确,并且速度快。

图2 并网逆变器直流功率控制原理

4 控制策略

电力系统由于负载波动和线路故障等原因,电网电压频率会出现一定幅度的波动,频率波动必然会影响并网逆变器直流功率控制的性能。为了降低并网系统对电网频率的依赖性,将由电网频率波动产生的电压误差信号反馈至前端进行补偿,由此提高并网系统的稳定性和抗频率干扰能力。

基于频率自适应滑模观测器的并网逆变器直流功率控制策略如图3所示。

图3 基于频率自适应滑模观测器的并网逆变器直流功率控制策略

5 仿真分析

为了验证所提出的控制策略的正确性,在Matlab/Simulink软件中搭建仿真模型。系统的仿真参数见表1。

表1 系统仿真参数

令电网频率为49.5 Hz,偏离电网额定频率±0.5 Hz时,传统电压观测和频率自适应滑模观测器下的A相并网电流观测误差仿真波形如图4所示。

图4 A相并网电流观测误差仿真波形

由图4可见,传统电压观测下的A相并网电流观测误差较大,稳定后的最大电流观测误差达到0.85 A。频率自适应滑模观测器下的A相并网电流观测误差明显减小,稳定后的最大电流观测误差为0.2 A。由此证明频率自适应滑模观测器在电网频率出现波动时,仍然能够保持较高的观测精度。

为了进一步分析所提控制策略在电网频率波动时的控制性能,令交流侧负载在0.1 s时突增为原来的2倍,采用直流功率控制和基于频率自适应滑模观测器的直流功率控制,A相并网电流动态仿真波形如图5所示。

图5 A相并网电流动态仿真波形

由图5可见,当交流侧负载在0.1 s时突增为原来的2倍时,采用直流功率控制,A相并网电流动态仿真波形出现一定程度的畸变。而采用基于频率自适应滑模观测器的直流功率控制,A相并网电流动态仿真波形与电网频率为50 Hz时相同。

6 试验分析

为了验证所提控制策略和仿真的正确性,搭建并网逆变器试验平台,选择TMS320F28335数字信号处理器和7MBP50RJ120并网逆变器,其它参数与仿真分析时相同。

令电网频率为49.5 Hz,交流侧负载突增为原来的2倍,采用直流功率控制和基于频率自适应滑模观测器的直流功率控制,A相、B相并网电流,以及直流侧电压试验波形如图6所示。

图6 并网电流与直流侧电压试验波形

由图6可见,在电网频率出现波动、交流侧负载突增时,采用直流功率控制,A相、B相并网电流正弦稳定性较差,直流侧电压存在较大幅度的超调,并且调节时间较长,超调量最大为22.5%,调节时间为20 ms。而采用基于频率自适应滑模观测器的直流功率控制,A相、B相并网电流正弦稳定性较好,直流侧电压基本没有受到影响。

7 结束语

笔者提出的基于频率自适应滑模观测器的并网逆变器直流功率控制策略,能够降低并网系统对电网频率的依赖性,有效抑制网侧频率波动对并网逆变器直流功率控制的影响,进而提高并网系统在复杂环境下的稳态控制性能和动态控制性能,并保证抗频率干扰能力。