一种改进线性扩张状态观测器的自抗扰控制宽频带振荡抑制方法研究.pdf
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1、第51 卷 第13 期 电力系统保护与控制电力系统保护与控制 Vol.51 No.13 2023年7 月1 日 Power System Protection and Control Jul.1,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.221529 一种改进线性扩张状态观测器的自抗扰控制 宽频带振荡抑制方法研究 段茜月,陈燕东,徐元璨,曹世骧,伍文华,谢志为,王自力(国家电能变换与控制工程技术研究中心(湖南大学),湖南 长沙 410082)摘要:针对自抗扰控制策略在并网系统参数变化时能否维持逆变器接入弱电网的稳定性展开了进一步研究。首先,建立了计及频率耦合的自抗扰控制型并网逆变器等
2、效单输入单输出序阻抗模型,并采用 Nyquist 稳定判据定量分析逆变器输出功率、电网短路比、锁相环以及自抗扰控制器参数变化对并网系统稳定性的影响。其次,针对上述参数变化所导致的弱电网下自抗扰控制型逆变器稳定性降低、宽频带振荡等问题,提出了一种改进线性扩张状态观测器(enhanced linear expansion state observer,e-LESO)的自抗扰控制宽频带振荡抑制方法。通过在传统一阶自抗扰控制器中 LESO 内部增添比例支路和滤波环节,重塑自抗扰控制型并网逆变器输出阻抗,拓宽其中频段(100 Hz1 kHz)内呈正阻尼特性的频率范围,从而增强自抗扰型并网逆变器鲁棒性,实
3、现宽频带振荡抑制。最后,通过仿真验证了所提方法的有效性。关键词:并网逆变器;序阻抗建模;自抗扰控制;改进线性扩张状态观测器;宽频带振荡抑制 A wideband oscillation suppression method for active disturbance rejection control with an enhanced linear expansion state observer DUAN Xiyue,CHEN Yandong,XU Yuancan,CAO Shixiang,WU Wenhua,XIE Zhiwei,WANG Zili(National Electric P
4、ower Conversion and Control Engineering Technology Research Center(Hunan University),Changsha 410082,China)Abstract:When the parameters of a grid-connected system change,whether the active disturbance rejection control(ADRC)strategy can maintain the stability of the connection between the inverter a
5、nd the weak grid is an issue.First,the equivalent single input single output sequence impedance model of an ADRC grid-connected inverter considering frequency coupling is established,and the Nyquist stability criterion is used to quantitatively analyze the influence of inverter output power,grid sho
6、rt circuit ratio,phase-locked loop and ADRC parameter changes on grid-connected system stability.Second,given the problems of the stability degradation and broadband oscillation of the ADRC inverter under the weak grid caused by the above parameter changes,an ADRC broadband oscillation suppression m
7、ethod with enhanced linear expansion state observer(e-LESO)is proposed.By adding proportional branches and filtering links inside the LESO in the traditional first-order ADRC,the output impedance of the ADRC inverter is reshaped,and the frequency range with positive damping characteristic in the mid
8、dle frequency band(100 Hz1 kHz)is widened,so as to enhance the robustness of the ADRC grid-connected inverter and achieve broadband oscillation suppression.Finally,the effectiveness of the proposed method is verified by simulation.This work is supported by the National Natural Science Foundation of
9、China(No.52077070).Key words:grid-connected inverter;sequence impedance model;active disturbance rejection control;enhanced linear expansion state observer;wideband oscillation suppression 0 引言“双碳”背景下,我国能源结构的转型与升级 基金项目:国家自然科学基金项目资助(52077070);湖南省自然科学基金项目资助(2021JJ30104)推动了电力系统向“高比例新能源发电设备”和“高比例电力电子设备”
10、的趋势发展1-3。新型电力系统相较于传统同步机主导的电力系统呈现出不同的动态特性,使得电力电子并网设备与弱电网之间因相互作用而诱发的宽频带振荡问题日益凸显,严重威胁电网的安全稳定运行4-6。段茜月,等 一种改进线性扩张状态观测器的自抗扰控制宽频带振荡抑制方法研究 -13-目前,大量的研究表明7-11,电力电子化并网设备与弱电网相互作用导致宽频带振荡问题,其原因在于:电力电子化并网设备的不同组成环节及其不同控制方式导致其输出阻抗在宽频带范围内存在呈容性负阻尼特性的区域,且电网运行方式的多样性使得电网阻抗幅值曲线与并网设备输出阻抗幅值曲线在宽频带范围内存在交点,当交点落入并网设备输出阻抗呈容性负阻
11、尼特性的区域时,并网设备与阻抗特性呈感性的弱电网相互作用,并诱发并网系统因正阻尼不足而出现的宽频带振荡问题。针对抑制上述宽频带振荡问题的相关研究,也取得了一些进展12-18。文献12针对直驱风电场与弱电网交互引发的次/超同步振荡问题,提出了一种基于静止无功补偿器阻抗重构振荡抑制策略,间接提高了风电场接入弱交流电网的稳定性。文献13设计了一种全状态反馈离线算法,通过给电流基准处添加反馈环节,提高了逆变器系统的正阻尼特性,增强了其接入弱电网的稳定性。文献14针对直驱风机与弱电网交互引发的宽频带(10 Hz1 kHz)振荡问题,提出了基于有源阻尼与虚拟导纳相结合的阻抗重塑控制策略。文献15针对直接功
12、率控制型双馈风机与弱电网交互引发的高频振荡问题,提出了一种虚拟阻抗抑制策略,削弱了系统延时环节导致风机输出阻抗高频段出现的周期性负电阻效应,提高了并网系统的稳定性。文献16-18将自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)技术应用于并网逆变器、静止无功补偿器以及双馈风机转子侧变换器的控制策略中,提高了并网设备接入弱电网的稳定性,降低了系统发生振荡的风险。ADRC 技术在一定程度上提高了并网逆变器与弱电网的交互稳定性。然而,当逆变器输出功率、电网短路比(short circuit ratio,SCR)、锁相环以及ADRC 控制器参数变化时,传
13、统的 ADRC 技术是否依旧能够保持对宽频带振荡的抑制能力,有待进一步探究。为此,首先,采用谐波线性化方法建立了自抗扰控制型并网逆变器计及频率耦合的多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)序阻抗模型。其次,采用等效变化的方法将 MIMO 序阻抗模型转换为单输入单输出(single-input single-output,SISO)的序阻抗模型,并利用 Nyquist 稳定判据分析了上述参数变化对并网系统稳定性的影响。然后,针对并网系统参数变化导致传统自抗扰控制型逆变器接入弱电网后系统出现稳定性降低、宽频带振荡等问题,本文提出了一种改进线性扩张状态观
14、测器(enhanced linear expansion state observer,e-LESO)的自抗扰控制宽频带振荡抑制方法。通过在传统一阶ADRC 控制器中 LESO 增添比例支路和滤波环节,重塑了逆变器输出阻抗特性,扩大其中频段(100 Hz1 kHz)呈正阻尼特性的频率范围,拓宽并网系统稳定运行的区域,从而使 ADRC 型逆变器对系统参数变化的鲁棒性更强,提高其对宽频带振荡的抑制能力。最后,通过仿真验证了本文所提宽频带振荡抑制方法的有效性。1 考虑频率耦合的并网逆变器序阻抗模型 本节主要针对传统自抗扰控制型三相并网逆变器,建立了计及频率耦合的等效 SISO 序阻抗模型,为后续稳定
15、性分析奠定基础。图 1 并网逆变器系统框图 Fig.1 Block diagram of grid-connected inverter system 图1为传统ADRC控制的三相并网逆变器系统框图,本文认为直流侧电容0C较大,忽略直流侧电压dcU波动,仅考虑电流环单环控制。图中:iav、ibv、icv为三相逆变器输出端电压;au、bu、cu为公共耦合点三相电压;gau、gbu、gcu为三相电网电压。采用谐波线性化方法建立考虑频率耦合效应的序阻抗模型,在并网逆变器与电网公共耦合点处注入电压小信号扰动,此时 a 相对应的电压响应和电流响应如式(1)所示,b、c 相电压响应和电流响应与之类似。a1
16、1ppvpp1p1vp1a11i1ppipp1p1ip1()cos(2)cos(2)cos(2)()cos(2)cos(2)cos(2)v tVf tVf tVf ti tIf tIf tIf t (1)式中:1f、pf、p1f分别为电网基波频率、正序扰动频率和负序扰动频率(耦合频率),其中p1f p12ff;1V、pV、p1V分别为电网基波电压幅值、正序扰动电压幅值和负序扰动电压幅值;vp和vp1-14-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 分别为正序扰动电压和负序扰动电压的初相角;1I、pI、p1I分别为基波电流幅值、正序响应电流幅值和负序响应电流幅值;i1、ip、ip1分别为基波响应电流
17、、正序响应电流和负序响应电流的初相角。将式(1)进行傅里叶变换得到电压及电流的频域表达式,见式(2)。1111appappp1p1p1p1,(),(),(),(),(),()ffffffffffffff VIVVIIVI(2)式中:j011(/2)eVV;vpjpp(/2)eVV;p1p1(/VV vp1j2)e;i1j11(/2)eII;ipjpp(/2)eII;p1I ip1jp1(/2)eI。三相静止坐标系下,并网逆变器的频率耦合特性可由式(3)表示19。pp1112p1p12122inv()()()()ZsZsZsZs VIVIZ (3)式中:11()Zs 为正序电压pV对正序电流pI
18、的自阻抗;12()Zs 为正序电压pV对负序电流p1I的耦合阻抗;21()Zs 为负序电压p1V对正序电流pI的耦合阻抗;22()Zs 为负序电压p1V对负序电流p1I的自阻抗。1.1 锁相环建模 已有较多文献对锁相环的建模过程进行了推导,本节不再赘述,直接给出结果20-21。ppp1p1p1()(),()fT sTsfff VV (4)式中:为锁相环受电压扰动信号影响而产生的相角小扰动信号;p()T s与p1()Ts分别见式(5)、式(6)。PLLpp11PLLj()(),()1()GsT sfffVGs (5)PLLp1p11PLLj()(),()1()GsTsfffVGs (6)式中,P
19、LLpPLLiPLL()(/)/Gskkss,pPLLk和iPLLk分别为锁相环控制器中的比例系数和积分系数。1.2 电流环建模 根据图1中的ADRC电流控制器框图,可以得到其输出信号与输入信号之间的频域表达式,见式(7)。pref0p1pref01()()(),()1()()()ddddqqqqMsKIIsfsbfffMsKIIsfsb (7)式中:refdI和refqI分别为d轴和q轴的电流给定值;()dIs和()qIs分别为d轴和q轴的电流输出值;()dMs、()qMs分别为d轴和q轴的电流控制器输出调制信号;()dfs、()qfs分别为d轴和q轴的扩张状态观测器对扰动信号的估计值;0b
20、为自抗扰控制器的补偿因子,由被控对象决定;pK为自抗扰控制器带宽22。图2为ADRC控制器中线性扩张状态观测器的结构框图,其特征方程为212()sss。一般情况下,选取理想特征方程20()()ss,令观测器参数102、220,此时,观测器带宽为0,阻尼比L123。根据图2 推导可得观测器扰动信号估计值()f s与其输入电流信号()I s和输入调制信号()M s之间的关系式,见式(8)。由于d、q轴采用相同的ADRC控制器,线性扩张状态观测器结构相同,所以()f s指代()dfs(或()qfs),()I s指代()dIs(或()qIs),()M s指代()dMs(或()qMs),下文同理。202
21、221212()()()bsf sI sM sssss (8)图 2 线性扩张状态观测器结构框图 Fig.2 Block diagram of linear expansion state observer 联立式(4)式(8),并经Park反变换后,最终可得静止坐标系下调制信号a fM的频域表达式,见式(9)。其中,()A s、()Q s以及PLL()Ts的表达式见式(10)式(12)。ref1PLL1pp11pparef1PLL1pp11p1p10.5(j2)(j2)()(j2),0.5(j2)(j2)()(j2),(2)ddIQ sf TsfA sffffIQ sf TsfA sffff
22、 VVIMVVI (9)212201()()ssA sbss (10)2122220101()()()sssQ sbsbsss (11)段茜月,等 一种改进线性扩张状态观测器的自抗扰控制宽频带振荡抑制方法研究 -15-PLLPLL1PLL()()1()GsTsVGs (12)1.3 正负序频率耦合阻抗模型求解 根据图1中的主电路拓扑结构,推导可得频域表达式(13)。fafamdcaa sLfRfK UffIIMV (13)联立式(3)、式(9)和式(13),并考虑频率偏移后,最终求得采用ADRC控制的并网逆变器的序阻抗模型,如式(14)所示。ffmdc1ffmdc1refmdc1PLL1ref
23、mdc1PLL1invffmdc1ffmdcrefmdc1PLL1(j2)(j2)0.5(j2)(j2)10.5(j2)(j2)(j2)(j0.5(j2)(j2)dddsLRK U A sfsLRK U A sfIK U Q sf TsfIK U Q sf TsfsLRK U A sfsLRK U A sIK U Q sf TsfZ1refmdc1PLL12)0.5(j2)(j2)1dfIK U Q sf Tsf (14)图3为采用ADRC控制的并网逆变器计及频率耦合的正负序理论阻抗模型及其阻抗模型的仿真测量结果,系统仿真参数取值见表1。由图3可知,所建序阻抗模型与仿真测量结果基本吻合,验证了
24、所建模型的准确性。图 3 考虑频率耦合的并网逆变器阻抗模型验证 Fig.3 Impedance model of grid-connected inverter considering frequency coupling 表 1 并网系统仿真参数 Table 1 Simulation parameters of grid-connected system 1.4 等效SISO序阻抗模型 由于MIMO序阻抗模型的稳定性分析需要采用较为复杂的广义Nyquist 稳定判据,且分析结果不够直观具体。为此,采用将MIMO序阻抗模型转换为等效SISO序阻抗模型的方法24,将式(14)进行等效变换,见式(
25、15)。22gnpSISO1111gn2212gn2111gpnSISO2211gp2212gp2111Y ZZYY Z YY Z YY ZZYY Z YY Z Y (15)式中:pSISOZ与nSISOZ分别为并网逆变器等效SISO阻抗模型的正序阻抗和负序阻抗;gpZ与gnZ分别为电网的正序阻抗和负序阻抗;11111/YZ;22Y 221/Z;12121/YZ;21211/YZ;gpgZsL;gnZ 1g(j2)sL,gL为电网电感。基于等效变换后的并网逆变器SISO序阻抗模型的Nyquist稳定判据与基于MIMO序阻抗模型的广义Nyquist稳定判据,两者在判断系统边缘稳定性时具有等效性2
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