基于自抗扰技术的Z源逆变器并网控制研究

李好时，厉 虹，张雅静

(北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192)

0 引言

风能是重要的优质可再生能源，具有清洁无污染且安全可控的特点。在将风能转化为电能的风力发电系统中，并网逆变器是风力发电机与电网之间的电力电子接口。传统的并网逆变器由于存在死区时间，谐波含量较高，并网电流质量较差。

近年来，三相Z源逆变器作为一种新型的电能变换装置受到广泛关注。Z源逆变器具有升降压控制灵活的优点。由于其特殊的拓扑结构，Z源逆变器同一桥臂的上下2个功率器件可同时导通，从而降低并网电流谐波畸变率，改善并网电流质量[1]。文献[1]对双闭环控制算法进行了改进，在电流内环中采用无差拍控制，提高了系统稳定性；文献[2]提出了一种改进型脉冲宽度调制策略，有效降低了电容器电压的最大峰值，减小了电压纹波的含量，使系统可以选用电容值更小的电容器；文献[3]将LCL型并网滤波器引入到Z源风电并网系统中，降低了并网电流高次谐波分量；文献[4]在应用Z源逆变器和LCL型滤波器的基础上提出一种LCL双闭环控制参数设计方法，在保证系统稳定的前提下使系统具有一定鲁棒性。

本文在永磁直驱风力发电Z源逆变器的双闭环控制系统中，设计了自抗扰控制器，用自抗扰算法代替PI算法，有效改善Z源网络中电容启动冲击电压过高的问题，在系统中又加入LCL型滤波器，进一步降低了并网电流谐波畸变率，使并网电流质量有较大提高。通过对直通占空比的控制实现系统最大功率跟踪。

1 Z源逆变器原理

图1所示为基本Z源逆变器拓扑结构，2个电容值相同的电容器C1、C2和2个电感值相同的电感器L1、L2组成X型对称网络，将直流源与三相逆变桥连接起来，二极管VD的作用是阻止电流反向流入直流侧。

图1 Z源逆变器结构

Z源逆变器在正常工作时有直通和非直通2种状态。当同一桥臂的上下2个功率器件同时导通时，处于直通状态，Z源逆变器通过这一状态实现灵活升降压；非直通状态指传统逆变状态。图2和图3分别为直通和非直通2种状态下的等效电路。

图2 直通换流状态

图3 非直通换流状态

由于Z源网络为对称结构，有

(1)

在非直通状态下有

(2)

式中UI、UC、UL、UO分别为输入电压、电容电压、电感电压和输出电压。

在直通状态下：

(3)

根据伏秒平衡原则，Z源逆变器电感在一个开关周期内的平均电压为0，则有

(4)

式中：T1、T0分别为非直通时间和直通时间，开关周期T=T1+T0；d0为直通占空比，且d0=T0/T。

Z源网络输出端电压平均值为

(5)

Z源逆变器直流母线峰值电压为

(6)

式中B为升压因子。

式(4)～(6)表明，只要对电容电压UC进行稳定控制，则通过调节直通占空比d0，即可达到风机输出和直流侧升降压的目的。

2 系统设计

在直驱风电Z源逆变器并网系统中，要想取得良好的并网效果并实现最大功率跟踪，就必须对Z源网络中电容器上的电压进行精确稳定的控制。由于Z源网络传递函数存在半平面零点， Z源电路中的电容电压超调量较大，这种情况可以通过应用非线性控制方法加以改善[5]。

自抗扰控制是在经典PID 控制基础上加以改进。自抗扰控制器设计不依赖被控对象的数学模型，不区分系统的内扰和外扰，而是直接观测补偿系统的总扰动[6]。

图4是基于自抗扰控制技术的的Z源并网系统控制图。系统中采用了电容电压外环，滤波电容电流和并网侧并网电流内环的双闭环控制策略。将采集到的Z源逆变器电容电压UC与给定电压UCref比较后，输入到电压环，得到有功电流分量给定值i2 d*，为保证单位功率因数运行，设给定无功电流分量i2q*为0，将这2个给定值与坐标变换后的网侧电流值i2 d、i2q比较后输入到电流PI环中，经解耦得到电流内环给定值icd*、icq*。将icd*、icq*与坐标变换后的滤波电容电流icd、icq进行PI调节，经解耦补偿就得到了SVPWM调制算法所需的Ud和Uq。Z源系统中的电压外环给定的电容电压控制量为恒定值[7]，所以采用一阶自抗扰控制器就能满足要求。这里，自抗扰控制器的作用是稳定电容电压。设计自抗扰控制器，以电容电压给定值UCref和电容电压实际值UC作为输入量，以d轴电流给定值i2 d*为输出量。一阶自抗扰控制器由跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO) 和非线性状态误差反馈(NLSEF)三部分构成，如图5所示。

图4 Z源永磁同步直驱风力发电并网系统框图

图5 一阶自抗扰控制器

非线性跟踪微分器TD的作用是快速且无超调地跟踪输入信号。它以电容电压给定值UCref为输入，经式(7)计算得到UCref的跟踪信号v。

(7)

扩张状态观测器ESO 是ADRC 的核心，通过ESO 不仅可以得到各个状态变量的估计值，而且能估计出不确定模型和外扰的实时作用量，并在反馈中加以补偿。ESO以z1、z2作为输出，b0为补偿因子。控制律为

(8)

非线性状态误差反馈NLSEF 是TD 和ESO产生的状态变量估计之间误差的非线性组合，它和ESO 对总扰动的补偿量一起组成控制量I2 d*：

(9)

其中，

(10)

电流内环对网侧电流和滤波电容电流采用PI算法。滤波电容电流环控制律如式(11)，网侧电流环控制律如式(12)。

(11)

(12)

Z源逆变器采用SVPWM调制方法，这种调制方法可使电压利用率更高，开关损耗更小[12]。当Z源网络电容电压得到稳定控制，就可以通过调节直通占空比d0来控制风力发电机转速实现最大功率跟踪。

3 LCL型滤波器拓扑结构及模型

滤波器是风力发电并网逆变系统中改善电能质量的重要装置，具有抑制输出电流的过分波动及浪涌冲击、滤除由开关动作所产生的高频电流、保护逆变器全桥开关管等功能。常见逆变器的输出滤波器有L 型、LC 型和LCL型3 种。其中LCL型滤波器的成本低、体积小，对高次谐波的抑制效果好，输出波形质量高，适用于功率较大频率较低的场合[8]。本文选用LCL型滤波器，对逆变桥输出的电动势进行滤波，并与电网电动势隔离。图6为LCL型并网逆变器的拓扑结构，其中L1(abc)为逆变侧滤波电感，R1(abc)是它的寄生电阻；L2(abc)为网侧滤波电感，R2(abc)是它的寄生电感；C(abc)为滤波电容。

图6 LCL并网滤波器拓扑结构

以并网逆变器的三相输出电压ua、ub、uc，并网逆变器的三相输出电流i1a、i1b、i1c，网侧的三相电流

i2a、i2b、i2c和流过滤波电容的电流ica、icb、icc为状态变量得到状态方程：

(13)

将式(13)转化到dq坐标下，得到式(14)、(15)。

(14)

(15)

为实现dq轴解耦，消去式(14)和(15)中的逆变侧电感电流Iid、I1q和滤波电容电压Ucd、Ucq，得到解耦式(16)、(17)。

(16)

(17)

其中

(18)

(19)

式中：a=L1s+R1，b=L2s+R2，c=ωL1，d=ωL2，e=ωC，f=Cs。

在LCL型并网滤波器的拓扑结构基础上得到其数学模型，经三相静止坐标到两相旋转坐标的变换，引入前馈解耦使得有功功率和无功功率可以分别独立控制，提高了系统的控制性能[9]。

4 仿真实验

在Matlab/Simulink平台上搭建永磁同步直驱风力发电Z源逆变器并网系统仿真实验模型。实验参数：电网电压有效值220 V，频率50 Hz；永磁同步电机参数：定子电阻R=2.4 Ω，Ld=Lq=0.000 835 H，磁极对数为20；Z源网络参数C1=C2=4 000 μF，L1=L2=5 mH；LCL滤波器参数L1(abc)=5 mH，R1(abc)=0.5 Ω,L2(abc)=1 mH，R2(abc)=0.5 Ω，C(abc)=140 μF。

风力发电并网系统的复杂性很大程度上是由于风速的不确定性，因此在对风力发电系统进行实验研究时，采用越接近自然的风速模型就越能取得较好的实验数据。自然界中的不规则风速可由平均风、阵风、变化风、湍流风4种基本情况组合而成[10]。本实验选用的组合风速如图7所示。第1 s为平均风和湍流风的组合，第2 s是阵风和湍流风组合，第3～6 s为变化风与湍流风组合，最后又回到平均风与湍流风组合风模式下。

图7 风速

实验得到直通占空比d0与风力机转速ω具有对应关系，将这种关系进行曲线拟合，再通过最佳叶尖速比法得到最佳转速ωref，将这个转速代入曲线就得到最佳直通占空比d0ref。将d0ref输入SVPWM模块就能调节整流器输出电压，从而调节风机转速。

直驱风力发电机转速变化如图8所示。通过改变直通占空比d0，实现对风机转速的控制。

图8 发电机转速

风能利用系数cp变化如图9所示，可以看到cp被控制在0.48附近，表明风机转速很好地跟踪了给定的最佳转速，实现了最大功率跟踪。

图9 风能利用系数cp

图10所示是Z源网络电容电压波形。实验曲线表明，并网系统启动时，采用PI算法的双闭环控制策略，Z源网络中的电容上有较大的启动冲击电压，而在电压环上设计了自抗扰控制器，采用自抗扰算法后，在相同的系统响应速度下，降低了电容器上的冲击电压。

图10 电容电压

图11是应用了自抗扰算法后的Z源网络输出电压。由于直通零矢量的存在，所以Z源网络瞬间输出电压存在为0的情况。

图11 直流链电压

图12是应用基于自抗扰算法的Z源逆变器后，电网电压和并网电流波形，实验曲线显示，电网电压和并网电流相位相同，实现了单位功率因数运行；并网电流是较完整的正弦波形，满足并网需求。

图12 并网电流和电网电压

引入和未引入LCL型滤波器的并网电流谐波分析及数据分别如图13、14所示。实验数据表明在风力发电并网系统中，采用基于自抗扰控制技术的Z源逆变器结合LCL型滤波器，可以有效改善并网电流中的谐波，提升并网电流质量。

图13 加入LCL型滤波器并网电流谐波总畸变率(THD)

图14 未加入LCL型滤波器并网电流谐波总畸变率(THD)

5 结束语

本文在直驱风力发电并网系统中，采用可靠性和电磁兼容性能更好的Z源逆变器，将自抗扰控制技术引入Z源逆变器的并网控制中，设计了自抗扰控制器。在满足并网系统响应的快速性与稳定性条件下，减小了Z源网络电容启动冲击电压，增强了系统可靠性，有利于实现并网系统的安全运行；将实施自抗扰控制的Z源逆变器与LCL型滤波器结合，采用并网电感电流、滤波电容电流双环控制，实现了有功无功解耦控制，降低了并网电流谐波畸变率，减小了谐波污染，有效改善了并网电流质量；通过控制直通占空比来调节永磁同步发电机转速，实现了系统最大功率跟踪。提高了能源利用率。通过仿真实验，验证了文中所提控制方法的可行性。