基于状态重构准谐振扩张状态观测器的LCL型并网逆变器电流控制策略研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22141

摘要/Abstract

摘要：

LCL型并网逆变器是分布式发电与电网实现能量双向流动的重要装置，其电流控制方法通常需要多个电压电流传感器实现有源阻尼及并网电流控制，而这会增加系统成本。提出一种基于状态重构准谐振扩张状态观测器的全状态观测系统，只需一个逆变器侧电感电流传感器即可实现对所需状态变量的实时观测。通过在扩张状态观测器中每个状态变量的观测通道添加准谐振环节，解决传统扩张状态观测器跟踪正弦信号需要高观测器增益问题。同时，针对在dq轴坐标系下的并网电流控制存在强耦合问题，设计了将耦合项作为总扰动当中一部分的自抗扰电流控制器，简化了传统电流控制当中复杂的解耦过程。软件数值仿真结果表明，该控制策略表现出良好的观测效果及电流跟踪效果。

关键词: LCL型并网逆变器, 状态重构, 准谐振扩张状态观测器, 有源阻尼, 电流解耦控制

Abstract:

The LCL-type grid-connected inverter (GCI) is a critical device for realizing energy transmission between distributed generation and the power grid. The current control of the GCI typically requires multiple sensors to enable active damping and grid-side current control, which increases the system cost. A full-state observation system based on state reconfiguration with quasi resonant-extended state observer was proposed, in which just a signal inverter-side inductor current sensor was required to realize real-time observation of the desired state variables. Meanwhile, the constraint of high observer bandwidth required for conventional extended state observer to track sinusoidal signals was solved by adding a quasi resonant link to the observation channel of each state variable of extended state observer. Moreover, the active disturbance rejection control current controller was designed in the dq frame, which simplified the complicated decoupling process of conventional methods by treating the coupling as part of the total disturbance. The software numerical simulation illustrates that the control strategy show excellent observation results and current tracking performance.

Key words: LCL-type grid-connected inverter, state reconfiguration, quasi resonant-extended state observer, active damping, current decoupling control

中图分类号:

TM 464

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图/表 15

图1 三相LCL型并网逆变器系统结构

Fig. 1 Structure of three-phase LCL-type grid-connected inverter system

图2 基于状态重构QR-ESO的电流控制策略

Fig. 2 Current control of GCI based on state reconfiguration with QR-ESO

图3 控制策略流程图

Fig. 3 Flow diagram of control strategy

图4 QR-ESO内部结构

Fig. 4 Internal structure of QR-ESO

图5 低阶ADRC电流控制

Fig. 5 Low-order ADRC current controller structure

表1 主电路参数

Tab. 1 Main circuit parameters

参数	数值	参数	数值
直流母线电压U_dc/V	700	网侧电感 L_g/mH	2.5
电网电压u_g/V	220	逆变器侧电感 L_i/mH	5
电网频率f_g/Hz	50	滤波电容C/μF	20

表2 控制器参数

Tab. 2 Controller parameters

参数	数值
状态重构QR-ESO的b₀	4×10⁹
状态重构QR-ESO的ω_o	2×10³
ADRC的b	2×10²
ADRC的 $ω ̂ o$	1.5×10³
ADRC的 $ω ̂ c$	6×10²
比例系数K_p	5.6×10⁰
积分系数K_i	1.87×10³
滤波电容电流有源阻尼系数H	2×10¹
准谐振环节当中的T₁	1×10¹
准谐振环节当中的T₂	1×10^-1

表2 控制器参数

Tab. 2 Controller parameters

参数	数值
状态重构QR-ESO的b₀	4×10⁹
状态重构QR-ESO的ω_o	2×10³
ADRC的b	2×10²
ADRC的 $ω ̂ o$	1.5×10³
ADRC的 $ω ̂ c$	6×10²
比例系数K_p	5.6×10⁰
积分系数K_i	1.87×10³
滤波电容电流有源阻尼系数H	2×10¹
准谐振环节当中的T₁	1×10¹
准谐振环节当中的T₂	1×10^-1

图6 ESO与QR-ESO的观测效果对比

Fig. 6 Comparison of ESO and QR-ESO observations

图7 参数摄动及电网电压波动情况下的观测效果

Fig. 7 Observation effects under parameter perturbations and grid voltage fluctuations

图8 电网电压存在谐波时的观测效果

Fig. 8 Observation effects in the presence of harmonics in the grid voltage

图9 并网电流存在谐波时的观测效果

Fig. 9 Observation effects in the presence of harmonics in grid-side currents

图10 正常工况下的dq轴电流控制效果

Fig. 10 Effect of current control of dq frames under normal working conditions

图11 电网电压波动工况下的dq轴电流控制效果

Fig. 11 Effect of dq frames current control under grid voltage fluctuation conditions

图12 系统开环Bode图对比

Fig. 12 Comparison of system open-loop Bode diagrams

图13 系统闭环Bode图对比

Fig. 13 Comparison of system closed-loop Bode diagrams

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