基于超螺旋滑?？刂频腖CL三相逆變器離網(wǎng)擾動(dòng)抑制策略

晉秉義,于 凱,李 強(qiáng),張 偉

(1.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北電力大學(xué)),吉林 吉林 132012;2.吉林市桔凱科技有限責(zé)任公司,吉林 吉林 132012;3.國網(wǎng)四川省電力公司綿陽供電公司,四川 綿陽 621000)

0 引 言

近年來隨著電網(wǎng)規(guī)模的迅速擴(kuò)大以及對(duì)電力需求和可靠性的要求不斷提高,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)技術(shù)難以解決運(yùn)行控制一致性問題。因此分布式發(fā)電(Distributed Generation,DG)、微電網(wǎng)(Micro-Grid)已經(jīng)成為世界各國的研究重點(diǎn)。在我國分布廣泛的分布式發(fā)電單元接入微電網(wǎng)已逐漸成為電力系統(tǒng)的重要發(fā)電方式之一[1],因其具備較高的靈活性和可控性,使微電網(wǎng)在維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性方面發(fā)揮重要作用[2]。微電網(wǎng)在孤島模式下運(yùn)行時(shí),由于分布式發(fā)電系統(tǒng)存在間歇性、負(fù)載之間的功率差異以及其他不確定因素,存在諸多不確定性和外部擾動(dòng),電壓和頻率可能會(huì)出現(xiàn)畸變,從而影響微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)運(yùn)行[3]。

離網(wǎng)運(yùn)行過程中會(huì)受到若干不確定性的影響,系統(tǒng)中各電氣量也會(huì)隨之產(chǎn)生波動(dòng),從而偏離其設(shè)定的參考值使系統(tǒng)誤差增大。在濾波電容電感以及內(nèi)部阻抗實(shí)際設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)細(xì)微偏差從而偏離額定值,隨機(jī)變量參數(shù)越多對(duì)系統(tǒng)的輸出結(jié)果影響越大,因此系統(tǒng)控制方法要對(duì)于濾波參數(shù)的不確定性能有抗干擾能力;系統(tǒng)運(yùn)行過程中多用戶頻繁投切負(fù)載或者存在大功率用電設(shè)備的投切會(huì)導(dǎo)致三相電壓電流突變,如果系統(tǒng)不及時(shí)恢復(fù)穩(wěn)定會(huì)影響用電設(shè)備正常運(yùn)行,而突變超過一定的限值,則會(huì)造成電氣故障;分布式發(fā)電設(shè)備由于其自身不穩(wěn)定、可靠性不高以及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等因素,在檢修切除或遭遇自然災(zāi)害發(fā)生損壞時(shí)會(huì)影響整體系統(tǒng)的直流電壓輸入。

對(duì)于孤島微電網(wǎng)來說,控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是在系統(tǒng)正常運(yùn)行或遭遇較大的負(fù)荷擾動(dòng)時(shí),均可維持電壓、功率在其額定值或參考值附近。微電網(wǎng)在孤島模式下需要一種精確的控制來抑制系統(tǒng)的不確定性擾動(dòng)和提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力,文獻(xiàn)[4-5]使用模型預(yù)測控制抑制三相逆變器擾動(dòng),采用擾動(dòng)觀測器來簡化預(yù)測模型,該方法無需系統(tǒng)內(nèi)環(huán)從而擁有更好的魯棒性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但模型的精確度對(duì)模型預(yù)測控制的影響較大,需要極高的準(zhǔn)確度,并且建模過程復(fù)雜,計(jì)算量大,不能滿足實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)要求。

另一種控制思路是改進(jìn)下垂控制環(huán)的方法[6-8]來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擾動(dòng)抑制和動(dòng)態(tài)特性提升。文獻(xiàn)[6]提出一種新型的下垂控制方法,在傳統(tǒng)下垂內(nèi)外環(huán)控制中加入動(dòng)態(tài)虛擬阻抗反饋以及在傳統(tǒng)功率控制環(huán)中引入積分控制的方法,并使用PI控制器修正下垂系數(shù),提升了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性;文獻(xiàn)[8]提出了一種新型并聯(lián)逆變器負(fù)荷控制器,通過改進(jìn)下垂方程,在傳統(tǒng)的下垂控制方程中引入導(dǎo)數(shù)和積分環(huán)節(jié)提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和系統(tǒng)可控能力。

滑?？刂?Sliding Mode Control,SMC)是一種動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,抗外部擾動(dòng)以及魯棒性強(qiáng)的控制方法,尤其適用于易受到外部擾動(dòng)和參數(shù)不確定的情況,但抖振現(xiàn)象是滑?？刂谱畲蟮娜秉c(diǎn),會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行甚至損壞儀器。而高階滑?？刂圃诒Ａ袅藗鹘y(tǒng)滑?？刂苾?yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上可以抑制抖振現(xiàn)象,同時(shí)除去了相對(duì)階的限制并提高了系統(tǒng)精度[9]。在文獻(xiàn)[10]中討論了幾種不同的高階滑?？刂品椒ɡ绯菪惴?Super-Twisting Algorithm,STA)、漂移算法、次優(yōu)化算法和收斂算法,均可以提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和諧波抑制能力,在上述幾種算法中,STA在計(jì)算中所需已知信息少,只需要已知滑模變量的值就可以計(jì)算,結(jié)構(gòu)簡單并且計(jì)算速度較快,因此STA擁有較強(qiáng)的優(yōu)勢,可以消除參數(shù)不確定性和外部擾動(dòng)帶來的影響。文獻(xiàn)[12]在三電平逆變器與三相并網(wǎng)逆變器電壓外環(huán)和功率跟蹤環(huán)中加入超螺旋控制,并且在電壓調(diào)節(jié)器中加入可開關(guān)式高增益觀測器防止外部干擾影響控制性能,該方法對(duì)比普通滑?？刂茡碛休^強(qiáng)的抗擾能力和更快的瞬態(tài)響應(yīng);文獻(xiàn)[14]提出一種新型的魯棒非線性超螺旋控制器,通過將STA和傳統(tǒng)滑模控制相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)控制器,針對(duì)單相逆變器的分布式電源,同時(shí)考慮孤島和并網(wǎng)兩種運(yùn)行情況,均可保證系統(tǒng)在各種負(fù)載情況下的穩(wěn)定性和魯棒性。

在上述方法中,預(yù)測控制、改進(jìn)下垂控制和滑?？刂凭商嵘到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和魯棒特性。超螺旋滑?？刂品椒ㄔ谀孀兛刂浦畜w現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)勢,針對(duì)傳統(tǒng)PI控制的LCL三相逆變器負(fù)載擾動(dòng)抑制能力較弱以及電壓參考跟蹤速度慢的缺點(diǎn),本文將利用超螺旋滑?？刂品椒ǖ膬?yōu)異性能,設(shè)計(jì)三相逆變器的內(nèi)外環(huán)。在dq坐標(biāo)系下,基于內(nèi)模原理分別設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)STA控制器,并根據(jù)Lyapunov函數(shù)證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在不同的濾波參數(shù)條件下驗(yàn)證系統(tǒng)的魯棒性能,仿真結(jié)果證明了本方法對(duì)參數(shù)不確定性具有較強(qiáng)的魯棒性;本文提出的控制方法對(duì)比傳統(tǒng)的PI控制,在不同工況下的孤島半實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可將波動(dòng)抑制在半個(gè)工頻周期內(nèi),可以有效抑制負(fù)載突變引起的干擾并提升響應(yīng)速度。

1 離網(wǎng)型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略

1.1 主電路拓?fù)渑c數(shù)學(xué)模型

圖1為LCL型三相逆變器離網(wǎng)電路模型。其中,Vdc為直流源電壓;V1～V6為三相橋的6個(gè)IGBT開關(guān)管,忽略濾波電感和電容的電壓損失,L1、C、L2構(gòu)成三相LCL型離網(wǎng)逆變器的濾波結(jié)構(gòu);R1,R2分別為逆變側(cè)和負(fù)載側(cè)等效電阻;u1x為逆變器輸出的未經(jīng)過濾波的電壓;i1x為逆變器側(cè)電流;uCx為濾波電容電壓;i2x為負(fù)載側(cè)電流;Rx為三相負(fù)載,x=a、b、c。

圖1 三相LCL型孤島逆變器拓?fù)銯ig.1 Topology of three-phase LCL islanded inverter

假設(shè)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三相平衡負(fù)載且開關(guān)器件均為理想元件,根據(jù)KCL和KVL方程得到abc三相靜止坐標(biāo)系下的電壓電流方程:

(1)

公式中:uk為負(fù)載電壓,k=a、b、c

由于同一時(shí)刻相同橋臂僅有一個(gè)開關(guān)管開通,記開通時(shí)為1,關(guān)閉時(shí)為0;設(shè)三相逆變器的上橋臂的三個(gè)IGBT(V1,V3,V5)的開關(guān)狀態(tài)為δa1、δb1、δc1,下橋臂的三個(gè)IGBT(V2,V4,V6)的開關(guān)狀態(tài)為δa2、δb2、δc2,開關(guān)狀態(tài)滿足下式:

δk1+δk2=1

(2)

假設(shè)δk=δk1=1-δk2,逆變器輸出線電壓與直流電壓源Vdc的關(guān)系為

(3)

根據(jù)abc三相靜止坐標(biāo)系下的電壓電流方程,得到LCL三相逆變器的數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

由于在abc三相靜止坐標(biāo)系下控制量均為交流量,且缺少零序分量以及控制量復(fù)雜,因此通常將三相系統(tǒng)變換到兩相系統(tǒng)分析?？紤]到控制器對(duì)直流量分析時(shí)可以減輕控制器的復(fù)雜程度,并且可以對(duì)有功功率和無功功率進(jìn)行單獨(dú)控制,因此本文考慮使用Park變換將abc三相靜止坐標(biāo)變換到dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,3s/2r的坐標(biāo)變換公式如下:

(4)

公式中:θ為d軸與相位參考軸的夾角。將公式(1)、公式(3)和公式(4)化簡得到dq坐標(biāo)系下的電壓電流方程

(5)

(6)

(7)

公式中:w為三相電壓的基波角頻率。由公式(5)、公式(6)和公式(7)可以看出dq軸狀態(tài)量相互耦合,這會(huì)影響閉環(huán)控制的電流跟蹤效果[15]。為了消除耦合量對(duì)雙環(huán)輸出的影響,通常在雙環(huán)PI控制器中引入前饋解耦控制從而保證dq軸的單獨(dú)控制,這將增加大量微分運(yùn)算和其他控制參數(shù),導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)算復(fù)雜,系統(tǒng)整體性能將會(huì)受到每個(gè)參數(shù)準(zhǔn)確性的影響,難以達(dá)到理論效果。dq坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型控制框圖如圖3所示。

圖3 LCL型逆變器dq坐標(biāo)系控制框圖Fig.3 Dq coordinate system control block diagram of LCL inverter

1.2 功率環(huán)控制

系統(tǒng)的功率外環(huán)采用下垂控制方法,根據(jù)系統(tǒng)的輸出電壓和電流計(jì)算電壓參考。下垂控制器使用dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的平均法計(jì)算,通過輸出側(cè)在dq軸采樣的電壓電流計(jì)算三相有功功率和無功功率

(8)

本文考慮逆變器等效輸出阻抗阻性遠(yuǎn)大于感性,因此考慮使用阻性下垂方程,下垂方程的電壓參考和頻率參考的計(jì)算如下:

(9)

公式中:V、ω、P和Q分別為逆變器輸出電壓幅值參考、角頻率參考有功功率和無功功率;kp和kq分別為有功下垂系數(shù)和無功下垂系數(shù),Vref、ωref、Pref、Qref分別為額定電壓幅值、額定角頻率、額定有功功率和額定無功功率。dq坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為

(10)

根據(jù)公式(4)得到dq坐標(biāo)系下的電壓,三相逆變器阻性下垂控制的控制框圖如圖4所示。利用dq軸的輸出電壓和電流計(jì)算三相有功和無功功率,并使用下垂方程式計(jì)算dq軸的參考電壓用于電壓外環(huán)計(jì)算。

圖4 下垂控制策略框圖Fig.4 Block diagram of droop-control strategy

2 雙環(huán)控制策略

2.1 超螺旋算法

首先給定二階系統(tǒng)如下

(11)

公式中:φ(t,x)和g(t,x)為包含時(shí)間t,變量x和控制函數(shù)u的有界未知函數(shù),邊界值滿足:

(12)

公式中:F、Γmin、Γmax為正常數(shù),在滿足邊界值條件下的滑模變量s(t,x)的微分包括:

(13)

本文使用的STA控制器如下[16,17]。

(14)

公式中:s為滑模變量;l和a分別為待設(shè)計(jì)的控制參數(shù);sign(s)為符號(hào)函數(shù)。本文為了進(jìn)一步減少抖振,通過將超螺旋控制器中的不連續(xù)的符號(hào)函數(shù)sign(s)替換為連續(xù)的tanh(s)函數(shù),換句話說,tanh(s)函數(shù)被用作符號(hào)函數(shù)的近似值[18]。

(15)

(16)

通過公式(16)可以看出滑模量s及其導(dǎo)數(shù)將在有限時(shí)間內(nèi)收斂至0且出現(xiàn)的兩個(gè)開關(guān)函數(shù)都不會(huì)影響系統(tǒng)的滑模特性。λ和α滿足邊界條件(12)的限制,那么滑模量s在有限時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定的充分條件為[19]

(17)

2.2 雙環(huán)設(shè)計(jì)

2.2.1 電容電壓外環(huán)

由于電感電流環(huán)的控制帶寬遠(yuǎn)大于電容電壓環(huán)的控制帶寬,因此可單獨(dú)設(shè)計(jì)雙環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。

首先對(duì)電容電壓外環(huán)的滑模變量定義如下:

(18)

(19)

對(duì)公式(18)求一次微分并聯(lián)立公式(19)可得:

(20)

(21)

公式中:μv(svd)和μv(svq)分別為電壓滑模控制器;C0為濾波電容C的額定值。

根據(jù)公式(16),μv(svd)和μv(svq)可以寫為

(22)

公式中:λvd、λvq、avd、avq分別為大于0的比例積分系數(shù)。根據(jù)公式(20)和公式(21)得到滑模變量svd和svq的動(dòng)態(tài)方程

(23)

公式中:ΔC為濾波電容的不確定量,ΔC=C-C0。因此ΔC為有界量,則存在兩個(gè)正常數(shù)Cvn1和Cvn2滿足約束條件:

(24)

根據(jù)公式(17),滑模變量svd和svq能夠在有限時(shí)間內(nèi)收斂于滑模面svd=dsvd/dt=0和svq=dsvq/dt=0的充分條件是[19]

(25)

2.2.2 電感電流內(nèi)環(huán)

對(duì)電感電流內(nèi)環(huán)的滑模變量定義如下:

(26)

(27)

公式中:μi(sid)和μi(siq)分別為電流滑模控制器;L10為濾波電感L1的額定值。

根據(jù)公式(16),μi(sid)和μi(siq)可以寫為

(28)

公式中:λid、λiq、aid、aiq分別為大于0的比例積分系數(shù)。根據(jù)公式(5)、公式(26)和公式(27),滑模變量svd和svq的動(dòng)態(tài)方程為

(29)

公式中:ΔL1為濾波電感的不確定量,ΔL1=L1-L10。因此ΔL1為有界量,存在正常數(shù)L1n1和L1n2滿足約束條件:

(30)

根據(jù)公式(30),滑模變量sid和siq能在有限時(shí)間內(nèi)收斂于滑模面sid=dsid/dt=0和siq=dsiq/dt=0的充分條件是[19]:

(31)

圖5 基于STA的三相逆變系統(tǒng)擾動(dòng)抑制策略整體控制框圖Fig.5 Overall structure block diagram of disturbance rejection strategy for three-phase inverter system based on STA

觀察超螺旋雙環(huán)控制方程公式(21)及公式(27),源自于超螺旋控制方法的本質(zhì),電壓環(huán)設(shè)計(jì)中包含輸出電流i2d,電流環(huán)設(shè)計(jì)中包含uCd,作為前饋項(xiàng)可以提升系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性能、參考變化響應(yīng),對(duì)比傳統(tǒng)滑?？刂?“前饋”量的引入會(huì)使超螺旋控制增益μv(sv)和μi(si)變小,在控制系統(tǒng)中充當(dāng)精確調(diào)整的作用,并且由于超螺旋算法的有限時(shí)間收斂特性,將不會(huì)影響系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)速度。

2.3 穩(wěn)定性分析

為證明本文基于STA的雙環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性,選擇公式(32)作為電壓環(huán)的Lyapunov候選函數(shù)[20]

(32)

對(duì)公式(32)求微分并聯(lián)立公式(18)～公式(22)可得:

(33)

當(dāng)滑模變量svd>0時(shí),雙曲正切函數(shù)tanh(s)>0,則有dRvd/dt<0,反之svd<0時(shí),tanh(s)<0,則dRvd/dt>0,因此Lyapunov函數(shù)RV(sv)正定且關(guān)于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)負(fù)定,證明滑模變量svd可以漸進(jìn)收斂至0,即證明本文提出的基于STA的電壓環(huán)控制器漸近穩(wěn)定,同理可證明電流環(huán)的穩(wěn)定性。

2.4 魯棒性分析

在分布式發(fā)電系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)難以預(yù)測的測量噪音、系統(tǒng)內(nèi)部的電磁場輻射感應(yīng),器件導(dǎo)線間的分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)以及濾波元件實(shí)際參數(shù)與額定參數(shù)之間的誤差,會(huì)對(duì)整體系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,考慮到多種不確定性,將電壓外環(huán)的滑模變量(23)修改為如下

(34)

公式中:ξ為系統(tǒng)的內(nèi)外部擾動(dòng)之和。則公式(33)可以修改為

(35)

根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性條件,只要λv和αv參數(shù)合理選擇即可實(shí)現(xiàn)函數(shù)RV(sv)對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)負(fù)定,本文提出的基于STA的雙環(huán)控制器擁有較強(qiáng)的魯棒性。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)

3.1 魯棒性能仿真

仿真基于PLECS平臺(tái),驗(yàn)證本文提出的基于STA控制方法對(duì)系統(tǒng)濾波參數(shù)的不確定性具有魯棒性,仿真與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 基于STA的三相逆變器魯棒性仿真測試參數(shù)

圖6為在相同控制參數(shù)情況下的三種不同工況下的魯棒性仿真結(jié)果,額定功率為3 kW,其中圖6(a)中工況Ⅰ對(duì)應(yīng)為額定濾波參數(shù)的A相輸出電壓波形;工況Ⅱ?yàn)?.5倍額定濾波參數(shù);工況Ⅲ為2倍額定濾波參數(shù)。輸出有效值作為本方法的控制精度參考,通過圖6(a)可以看出三種工況下的A相電壓和電流波形沒有出現(xiàn)任何波動(dòng),系統(tǒng)并未受到濾波參數(shù)擾動(dòng)帶來的影響,且輸出電流可以快速跟蹤負(fù)載投切的變化。觀察圖6(b),隨著濾波參數(shù)變化系統(tǒng)輸出電壓有效值出現(xiàn)較小偏差值約為0.22 V(工況Ⅱ),當(dāng)2倍額定濾波參數(shù)時(shí)出現(xiàn)約1.2 V的電壓波動(dòng),在約1.2個(gè)額定周期(24 ms)后到達(dá)穩(wěn)態(tài)。仿真結(jié)果表明即使系統(tǒng)出現(xiàn)兩倍的濾波參數(shù)擾動(dòng),對(duì)系統(tǒng)輸出電壓也僅會(huì)產(chǎn)生較小影響。以上仿真結(jié)果證明了本文提出的基于STA的三相離網(wǎng)逆變系統(tǒng)對(duì)濾波參數(shù)擾動(dòng)具有較好的魯棒特性。

圖6 濾波參數(shù)不確定性魯棒性仿真Fig.6 Robust simulation results of filter parameters uncertainty

3.2 負(fù)載突變實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文使用的STA控制方法的抗干擾能力和響應(yīng)速度,搭建了如圖7所示的三相LCL逆變器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。直流電源采用Chroma 62150H-1000S,電壓和電流信號(hào)分別由LEM LV25-P電壓霍爾、HLSR 32-P電流霍爾采樣;通過瑞士Plexim GmbH公司開發(fā)的RT Box、PLECS仿真軟件和PC進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7 三相LCL逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Experimental platform of three-phase LCL inverter

圖8和圖9為兩種控制方法的負(fù)載投切A相電壓、電流、有功和電壓有效值的實(shí)驗(yàn)波形,觀察圖8(a),在t1時(shí)刻投入負(fù)載,ST控制的輸出電壓和電流能迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值6.19 A,但PI控制的電壓電流波形存在波動(dòng)(峰值電壓從311.5 V降低至298.9 V),約一個(gè)周期后趨于穩(wěn)定(約20 ms)。圖8(b)中使用ST控制的輸出電壓有效值最大波動(dòng)僅為0.3 V,幾乎不存在電壓波動(dòng)和功率波動(dòng),而PI控制方法電壓有效值偏差達(dá)到約10 V,且需要約一個(gè)周期才能過渡到穩(wěn)態(tài)。

圖8 三相逆變器擾動(dòng)抑制策略投入負(fù)載對(duì)比實(shí)驗(yàn)Fig.8 Experimental results of load input comparison of disturbance suppression strategy in three-phase inverter

圖9 三相逆變器擾動(dòng)抑制策略切除負(fù)載對(duì)比實(shí)驗(yàn)Fig.9 Experimental results of load removal comparison of disturbance suppression strategy in three-phase inverter

對(duì)比圖9(a),在負(fù)載切除時(shí),PI控制的輸出電壓電流存在一個(gè)周期(約20 ms)的波動(dòng),ST控制的輸出電壓和電流可以快速過渡到穩(wěn)態(tài),無明顯電壓電流過沖。在圖9(b)中PI控制的電壓有效值在負(fù)載切除后存在約10.3 V的電壓波動(dòng),而ST控制的電壓有效值波動(dòng)僅0.3 V。通過負(fù)載投切的對(duì)比圖,本文提出的基于ST控制的三相逆變系統(tǒng)在負(fù)載投入和切除的瞬間,在孤島工況下具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程并可以抑制系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)引起的變化。

3.3 參考突變對(duì)比

圖10和圖11為兩種控制方法的參考突變A相實(shí)驗(yàn)對(duì)比。觀察圖10(a)的輸出電壓電流波形,在t1時(shí)刻參考電壓突降30 V時(shí),本文提出的ST控制的電壓電流可以迅速跟蹤電壓參考,而傳統(tǒng)PI控制的電壓電流波形雖然可以跟蹤電壓參考變化,但要經(jīng)過約2個(gè)周期(40 ms)才達(dá)到穩(wěn)態(tài),動(dòng)態(tài)過程較長,同時(shí)存在跟蹤誤差。對(duì)比圖10(b)的輸出電壓有效值和有功功率可以發(fā)現(xiàn),PI控制經(jīng)過約2個(gè)周期(40 ms)跟蹤上電壓參考變化,而ST控制有功功率波動(dòng)很小且能在一個(gè)周期內(nèi)(20 ms)快速跟蹤電壓參考變化。

圖10 三相逆變器擾動(dòng)抑制策略電壓參考突降對(duì)比實(shí)驗(yàn)Fig.10 Comparative experimental results of voltage reference drop for disturbance rejection strategy in three-phase inverter

圖11 三相逆變器擾動(dòng)抑制策略電壓參考突升對(duì)比實(shí)驗(yàn)Fig.11 Comparative experimental results of voltage reference jump for disturbance rejection strategy in three-phase inverter

通過觀察圖11(a)可以看出,當(dāng)參考電壓突然恢復(fù)至額定電壓參考時(shí),PI控制輸出的電壓電流波形約經(jīng)過約2個(gè)周期(40 ms)后才跟蹤上額定電壓,本文提出的基于ST控制的輸出電壓電流可以實(shí)現(xiàn)零誤差跟蹤參考電壓。圖10和圖11實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,參考電壓變化對(duì)本文提出的基于ST控制的三相逆變系統(tǒng)幾乎無影響,幾乎可以消除跟蹤電壓參考的過程,對(duì)比傳統(tǒng)PI控制方法,在實(shí)際應(yīng)用中可以減少系統(tǒng)電壓電流以及功率波動(dòng),提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

本文從內(nèi)?？刂苹驹沓霭l(fā),在dq坐標(biāo)系設(shè)計(jì)超螺旋滑?？刂茢?shù)學(xué)模型,由于控制器中引入了輸出電壓和電流作為前饋?zhàn)兞?可以有效改善系統(tǒng)響應(yīng)速度和抗干擾能力。通過與傳統(tǒng)PI控制對(duì)比,證明了本文提出的擾動(dòng)抑制方法對(duì)濾波參數(shù)的不確定性具有較好的魯棒特性;此外在負(fù)載突變和電壓參考突變實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了本文提出的基于超螺旋滑?？刂频碾x網(wǎng)擾動(dòng)抑制策略的有效性,電壓電流的動(dòng)態(tài)變化過程可以快速跟蹤負(fù)載或電壓參考的變化,并可以有效抑制各種擾動(dòng)帶來的系統(tǒng)波動(dòng)。