孤岛模式单相光伏并网逆变器自抗扰控制策略

何国锋

（河南城建学院 电气与控制工程学院，河南 平顶山467036）

0 引言

由光伏、风电等分布式发电组成的微电网可以有效降低碳排放量[1]。微电网根据实际运行状况，可分为孤岛运行模式和并网运行模式。当微电网处于孤岛运行模式时，逆变器处于电压工作模式；当微电网与主电网相连，逆变器则处于并网模式，此时须要对入网电流进行控制，使入网电流达到并网标准。根据实际运行工况和发电需求，微电网能进行实时的并/离网无缝切换运行[2]。微电网处于孤岛运行模式时，单相逆变器在运行的过程中会产生多种扰动，例如负载突变、非线性负载突加、滤波器元件老化导致的参数漂移等，这些不确定性因素都会对逆变器输出的电能质量造成影响，严重时可能影响到微电网系统的稳定性。因此，微电网处于孤岛模式时，改善控制策略使单相逆变器输出高质量电能成为研究的重点。

为使孤岛模式下微电网单相逆变器稳定、高效运行，文献[3]考虑到负载变化的不确定性，利用逆变器的输出信号与参考信号的偏差量设计滑模面，通过滑模自适应控制律逼近不确定性的上界，实现对负载不确定性的补偿。文献[4]将重复控制与谐振控制相结合，实现对单相逆变器性能的提高。文献[5]针对逆变器电流内环存在扰动，提出一种平均电流前馈补偿控制策略，能够有效抑制电流内环的干扰信号。文献[6]通过设计单相逆变器负载扰动的边界，兼顾系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能，采用改进的鲁棒H∞控制方法，设计适用于单相逆变器的鲁棒控制器，增强系统对不确定性扰动的抑制能力。

上述文献没有对单相逆变器动态抗扰性能进行详细讨论。传统的自抗扰控制策略虽然能够在一定程度上增强系统抗扰动性能，但是对交流信号的跟踪速度有限，导致控制系统的动态性能不高。为了有效抑制光伏并网逆变器在孤岛运行模式下的扰动、提高系统的抗扰动态性能，本文提出一种改进的单相微网逆变器自抗扰控制器设计方法。

1 微电网逆变器扰动分析

孤岛模式下，微电网逆变器的主电路如图1所示。

图1 微电网逆变器主电路Fig.1 Power stage topology ofmicro-grid inverter

图中包括光伏组件、单相全桥逆变电路、滤波电路等结构。逆变器在运行的过程中，存在着不确定性扰动，这些扰动可以分为系统外部扰动和内部参数摄动。设计控制器时考虑扰动因素，可以在一定程度上提高系统建模的精确度，提高系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能[7]。

孤岛模式下的微电网逆变器输出为正弦电压，通常采用基于内模原理的控制策略，如重复控制器、比例谐振控制器等，这类控制策略能够实现系统的无静差控制，但是对扰动抑制能力较差。本文通过虚拟正交方法构造出两相交流量，再经过同步坐标变换，将其转换成直流量，在同步旋转坐标系下设计自抗扰控制器，控制逆变器的输出电压。

2 单相微电网逆变器建模

单相微电网逆变器的闭环原理图如图2所示，主电路结构中采用带有LC型滤波器的单相全桥逆变器结构。图中：L为滤波器的基准电感值；ΔL为电感值的变化量；C为基准电容值；ΔC为电容值的波动量；R为纯电阻负载；ΔR为负载波动；Ui为逆变器的桥臂输出电压；iL为流过滤波电感的电流；i0为负载电流；UC为电容电压，同时也是负载电压U0。设α轴电容的电压为UCα；电感的电流为iLα；负载的电流为i0α。

图2 单相逆变器闭环原理图Fig.2 Schematic diagram of single-phase inverter

将上述交流信号通过全通滤波器滤波可得β轴相应的分量：UCβ，i0β，iLα，根据基尔霍夫定律可以建立单相逆变器在αβ坐标系下的数学模型为式中：w1为α轴的扰动量；w2为β轴的扰动量；b0，b1为常数，其值大小受负载、电感值、电容值的影响[8]。

3 自抗扰控制器设计

自抗扰控制具有传统PID控制和现代经典控制的优点。自抗扰控制器不须要准确的数学模型就能够估算出系统的总体扰动，并对系统扰动进行实时补偿。自抗扰控制器一般分为跟踪微分器、误差反馈控制律、扩张状态观测器3部分。跟踪微分器为参考信号安排过渡过程，包括求取参考信号的微分信号；误差反馈控制律对系统的误差进行实时处理，产生系统的控制信号；扩张状态观测器需要对系统的总体扰动进行估计，估计后的扰动信号经过缩放对控制量进行补偿，被补偿过的信号是最终的控制信号[9]～[12]。

由式（1）和同步坐标变换可得单相微电网逆变器在同步旋转坐标系下的数学模型为

式中：w3为d轴模型受到的扰动量；w4为q轴模型受到的扰动。

同步旋转坐标系下的单相微电网逆变器自抗扰控制器的结构如图3所示。

图3 d轴分量下的自抗扰控制器框图Fig.3 Block diagram of ADRC for d-axis

图中包括跟踪微分器TD、非线性误差反馈控制律NLSEF和扩张状态观测器ESO。扩张状态观测器部分的函数项f表示系统中的总扰动，包括滤波器参数的变化、负载突变、非线性负载、坐标变化时引入的耦合项等因素引起的扰动。矩阵G为误差反馈矩阵，参与实际输出信号与观测信号的误差调整。

由图3可得二阶逆变器系统模型为

二阶ADRC具体算法：

非线性函数fhan与非线性函数fal的定义分别为式中：h为滤波因子，与滤波效果有关；β01，β02，β03由系统所采用的步长决定，不同的被控系统可以采取相同的β01，β02，β03。h，β01，β02，β03均为自抗扰控制器参数。

由于d轴模型与q轴模型的对称性，本文只给出了d轴分量的自抗扰控制器的设计过程，q轴分量的自抗扰控制器设计过程及框图不再详细给出[13]～[15]。

基于以上的扰动分析和控制器设计结果，得到含有自抗扰控制器的单相微电网逆变器原理图，如图4所示。

图4 自抗扰控制下的单相微电网逆变器整体原理图Fig.4 Overall Schematic diagram of single-phasemicro-grid inverterwith ADRC

图中控制电路包括park变换器、自抗扰控制器、脉宽调制等部分。电压传感器将采集到的负载电压信号作为静止坐标系下的α轴分量，再将采集到的负载电压信号进行正交旋转，得到β轴的分量，经过park变换得到同步旋转坐标系下的直流信号；然后，自抗扰控制器对两相直流信号进行控制，将得到的控制信号进行坐标反变换，取α轴的控制信号作为最终的控制信号；最后，控制信号经过脉宽调制器，驱动放大作用于单相逆变器，对单相逆变器的输出电压进行控制。

4 仿真分析

为了进一步验证基于虚拟矢量的自抗扰控制策略的优越性，本文利用dSPACE半实物仿真系统搭建了相应的实验系统，并对所提控制策略进行了仿真验证，系统相关参数如表1所示[16]，[17]。

表1 单相逆变器仿真参数Table 1 System parameters of single-phase inverter

图5为孤岛模式下，单相微电网逆变器的输出电压和电流波形。图6为孤岛模式下单相微电网逆变器输出电压的THD。

图5 负载不变时自抗扰控制下的逆变器输出波形Fig.5 Simulation results at constant load with ADRC

图6负载电压的THDFig.6 THD of output voltage at constant load with ADRC

由图5可以看出，电压、电流的波形是稳定光滑的正弦波。由图6可以看出，当采用基于虚拟矢量的自抗扰控制策略时，单相微电网逆变器输出电压的总谐波畸变率只有0.28%，表明基于虚拟矢量的自抗扰控制策略有很好的稳态跟踪性能。

图7，8均为系统受到干扰时的输出电压和电流波形。在t=0.145 s时，对系统突加扰动，当系统受到扰动时，图7的负载电压没有发生突变，而图8中的逆变器输出电压产生明显的下降。因此在系统轻载时，基于虚拟矢量的自抗扰控制策略对扰动具有更好的抑制能力。

图7 系统轻载时自抗扰控制下的逆变器输出波形Fig.7 Simulation results at light-load with ADRC

图8 系统轻载时PI下的逆变器输出波形Fig.8 Simulation results at light-load with PI

图9，10均为系统重载时系统输出的电压和电流波形。

图9 系统重载时自抗扰控制下的逆变器输出波形Fig.9 Simulation results atheavy-load with ADRC

当系统突然受到扰动时，图9逆变器输出电压存在波动，但是在很短的时间内，电压即恢复正常。图10逆变器的输出电压波形有明显跌落，严重影响逆变器输出的电能质量。表明基于虚拟矢量的自抗扰控制器对单相逆变器运行过程中存在的扰动有很强的抑制能力，保证了单相逆变器输出高质量的电能。

图10 系统重载时PI下的逆变器输出波形Fig.10 Simulation results at heavy-load with PI

负荷为非线性负载时，单相逆变器的电压和电流波形如图11所示。

图11 带非线性负载时自抗扰控制下的逆变器仿真结果Fig.11 Simulation results at non-linear load with ADRC

由图11可知，逆变器输出的电压波形没有产生畸变，电流波形光滑，与理想情况下的波形相近。仿真结果表明，基于虚拟矢量的自抗扰控制策略对非线性负载带来的扰动具有较强的补偿能力，实现逆变器高可靠性运行。

采用自抗扰控制并网逆变器的实验结果如图12所示。

图12 负载突变时自抗扰控制下的逆变器实验结果Fig.12 Experimental results of inverter with ADRC under load variation

图中：当t=80ms时，系统的负载发生突变，功率从2 kW突变到3 kW；并网逆变器的输出电流波形幅值增加，输出电压波形平滑，没有发生畸变。说明自抗扰控制策略可以有效提高系统的动态特性。

整流性负载不加扰动时，采用自抗扰控制的逆变器,在孤岛模式下的稳态输出电压与电流实验波形如图13所示。

图13 不加扰动时系统输出的电压和电流波形Fig.13Waveforms of output voltage and currentwithout disturbance

由图13可以看出，孤岛模式下逆变器的输出电压波形平滑。

采用自抗扰控制策略的逆变器电源输出电压和电流动态变化波形如图14所示。

图14 加扰动时自抗扰控制的系统输出电压和电流波形Fig.14Waveforms of output voltage and currentwith disturbance by ADRC

t=250ms时，系统突加负载。由图14可以看出，当系统突加负载时，逆变器输出电压波形有很小的抖动，调整时间不超过5ms，表明采用本文所提的控制策略能够较好地解决孤岛模式逆变电源的扰动问题，使逆变电源在受到扰动时输出电压依然能够快速恢复正常值。同时也增强了单相逆变电源系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能。

5 结论

本文研究了基于虚拟矢量的自抗扰控制策略，并将其应用在孤岛模式下的单相微电网逆变器中。由本文的理论研究和实验分析可得到以下结论：①单相微电网逆变器采用基于虚拟矢量的自抗扰控制策略时，可以有效抑制系统的动态扰动。当系统重载时，自抗扰控制策略的效果更加明显。当系统稳态运行时，逆变器输出的电能谐波含量只有0.28%，满足用户的电能质量要求；②负荷为非线性负载时，单相微电网逆变器采用本文所提的控制策略可以有效抑制扰动，使系统稳定运行。