- 頭條負載電流前饋控制的新方法：設計簡單，適合工程應用2021-05-31 作者：曹文遠 韓民曉 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為解決采用傳統電壓電流雙環控制的電壓源型逆變器在負載投切時輸出電壓波動的問題，新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）、中國電力科學研究院、國網江蘇省電力有限公司的研究人員曹文遠、韓民曉、謝文強、李蕊、袁棟，在2020年第4期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于擾動觀測器的負載電流前饋控制方法。分析表明，與傳統雙環控制相比，該文提出的負載電流前饋控制方法對參數攝動的靈敏度更低，系統的魯棒性更強。
電壓源型逆變器（Voltage-Sourced Inverter, VSI）是可再生能源并網和交直流電網互聯的重要接口。隨著電力系統中可再生能源接入比例的增加和直流配用電技術的發展，當前依靠同步發電機維持電壓與頻率穩定的電力系統將變得更依賴于逆變器的控制。考慮可靠性的要求，逆變器應具備在孤島情況下向系統負載提供電源支撐的能力，這對逆變器輸出電壓的質量提出了更高的要求。
逆變器控制中應用最為廣泛的電壓電流雙環控制，其輸出等效為一個帶內阻抗的非理想電壓源，輸出電壓隨負載電流的變化而波動，逆變器的輸出外特性差。為抑制逆變器輸出電壓的波動，最直接的方法是提高逆變器控制系統的環路增益，但控制性能與系統穩定性相互制約，導致控制效果不盡如人意。
為避免因增大控制增益可能導致的系統失穩問題，使用電流傳感器采集負載電流信息進行前饋補償成為一種簡單易行的方法。實際工程中多采用比例前饋補償的方式，此方法削弱了低頻電流對輸出電壓的影響，但對于中高頻諧波電流的抑制效果并不明顯。
采用比例微分前饋方式理論上可以在整個頻域內抑制負載電流的影響，但前饋環節引入的附加阻抗特性必須完全擬合原有逆變器輸出阻抗特性才能消除負載電流對輸出電壓的影響。使用傳感器采集負載電流信息進行前饋補償的方法不僅增加了傳感器、信號傳輸和處理電路等成本（尤其是在大功率場合），還占用了處理器的ADC接口資源，其準確度也受傳感器和信號處理電路精度的影響。
為節約傳感器及其對應信號處理電路等資源，結構簡單的擾動觀測器（Disturbance Observer, DOB）得以提出用于觀測負載電流。此外，一些先進的控制算法如提高系統響應速度的無差拍控制（deadbeat control）和抑制周期性干擾的重復控制（repetitive control）等也被用于提高逆變器的性能。
但無差拍控制導致系統對參數和負荷的變化敏感，系統的穩定性有所欠缺。而重復控制由于延遲因子的存在，控制效果有限，需要與其他控制相配合才能充分發揮其優點，特別地，有學者結合DOB的低頻擾動抑制能力強與重復控制的抗周期性干擾能力強的優點，設計了基于內模原理的擾動觀測器，在提升逆變器動態性能的同時，有效地提高了輸出電壓的跟蹤精度和波形質量，為DOB性能的改進提供了新的研究思路。
為提高系統的動態和穩態性能，且不引入復雜的控制，新能源電力系統國家重點實驗室、中國電力科學研究院等單位的研究人員，結合傳統雙環控制和擾動觀測器的特點，在不增加額外投資的情況下，提出一種易于實現、適合工程應用的基于DOB的逆變器負載電流前饋控制策略，并給出具備普適性和可移植性的參數設計方法。
圖1 基于TMS320F28335的逆變器實驗平臺
首先充分利用已采集的輸出電壓信息，通過電壓前饋補償實現電流內環與電壓外環的解耦，簡化了傳統雙環控制的設計和分析。在此基礎上，將負載電流設定為系統外部擾動量建立逆變器負載電流擾動觀測模型，通過將DOB觀測所得負載電流前饋至電壓外環補償器的輸出端，提高了輸出電壓對負載電流的抗擾動能力，增強了逆變器輸出外特性。
分析表明，與傳統雙環控制相比，所提控制策略可以使被控對象標稱化，從而對參數攝動具備更強的魯棒性。仿真與實驗結果證明該方法具有以下優點：
- 1）具備普適性和可移植性，推導所得控制參數的計算公式適用于任意三相橋式逆變器，有助于推動DOB技術在逆變器中的產業化應用。
- 2）大幅減小逆變器輸出電壓的跟蹤誤差，使逆變器在不同帶載情況下具備跟蹤輸出電壓為給定指令值的能力。
- 3）改善逆變器輸出電壓的暫態性能，有效抑制因負載突變帶來的電壓波動問題，提升電壓波動的恢復速度。
- 4）增強系統的魯棒穩定性，在濾波電容參數攝動66.67%時逆變器仍能維持穩定運行。
以上研究成果發表在2020年第4期《電工技術學報》，論文標題為“基于擾動觀測器的電壓源型逆變器負載電流前饋控制及參數設計方法”，作者為曹文遠、韓民曉、謝文強、李蕊、袁棟。
