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電壓源型逆變器（Voltage-Sourced Inverter, VSI）是可再生能源并網(wǎng)和交直流電網(wǎng)互聯(lián)的重要接口。隨著電力系統(tǒng)中可再生能源接入比例的增加和直流配用電技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前依靠同步發(fā)電機維持電壓與頻率穩(wěn)定的電力系統(tǒng)將變得更依賴于逆變器的控制。考慮可靠性的要求，逆變器應(yīng)具備在孤島情況下向系統(tǒng)負(fù)載提供電源支撐的能力，這對逆變器輸出電壓的質(zhì)量提出了更高的要求。

逆變器控制中應(yīng)用最為廣泛的電壓電流雙環(huán)控制，其輸出等效為一個帶內(nèi)阻抗的非理想電壓源，輸出電壓隨負(fù)載電流的變化而波動，逆變器的輸出外特性差。為抑制逆變器輸出電壓的波動，最直接的方法是提高逆變器控制系統(tǒng)的環(huán)路增益，但控制性能與系統(tǒng)穩(wěn)定性相互制約，導(dǎo)致控制效果不盡如人意。

為避免因增大控制增益可能導(dǎo)致的系統(tǒng)失穩(wěn)問題，使用電流傳感器采集負(fù)載電流信息進(jìn)行前饋補償成為一種簡單易行的方法。實際工程中多采用比例前饋補償?shù)姆绞剑朔椒ㄏ魅趿说皖l電流對輸出電壓的影響，但對于中高頻諧波電流的抑制效果并不明顯。

采用比例微分前饋方式理論上可以在整個頻域內(nèi)抑制負(fù)載電流的影響，但前饋環(huán)節(jié)引入的附加阻抗特性必須完全擬合原有逆變器輸出阻抗特性才能消除負(fù)載電流對輸出電壓的影響。使用傳感器采集負(fù)載電流信息進(jìn)行前饋補償?shù)姆椒ú粌H增加了傳感器、信號傳輸和處理電路等成本（尤其是在大功率場合），還占用了處理器的ADC接口資源，其準(zhǔn)確度也受傳感器和信號處理電路精度的影響。

為節(jié)約傳感器及其對應(yīng)信號處理電路等資源，結(jié)構(gòu)簡單的擾動觀測器（Disturbance Observer, DOB）得以提出用于觀測負(fù)載電流。此外，一些先進(jìn)的控制算法如提高系統(tǒng)響應(yīng)速度的無差拍控制（deadbeat control）和抑制周期性干擾的重復(fù)控制（repetitive control）等也被用于提高逆變器的性能。

但無差拍控制導(dǎo)致系統(tǒng)對參數(shù)和負(fù)荷的變化敏感，系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所欠缺。而重復(fù)控制由于延遲因子的存在，控制效果有限，需要與其他控制相配合才能充分發(fā)揮其優(yōu)點，特別地，有學(xué)者結(jié)合DOB的低頻擾動抑制能力強與重復(fù)控制的抗周期性干擾能力強的優(yōu)點，設(shè)計了基于內(nèi)模原理的擾動觀測器，在提升逆變器動態(tài)性能的同時，有效地提高了輸出電壓的跟蹤精度和波形質(zhì)量，為DOB性能的改進(jìn)提供了新的研究思路。

為提高系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，且不引入復(fù)雜的控制，新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室、中國電力科學(xué)研究院等單位的研究人員，結(jié)合傳統(tǒng)雙環(huán)控制和擾動觀測器的特點，在不增加額外投資的情況下，提出一種易于實現(xiàn)、適合工程應(yīng)用的基于DOB的逆變器負(fù)載電流前饋控制策略，并給出具備普適性和可移植性的參數(shù)設(shè)計方法。

圖1 基于TMS320F28335的逆變器實驗平臺

首先充分利用已采集的輸出電壓信息，通過電壓前饋補償實現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)的解耦，簡化了傳統(tǒng)雙環(huán)控制的設(shè)計和分析。在此基礎(chǔ)上，將負(fù)載電流設(shè)定為系統(tǒng)外部擾動量建立逆變器負(fù)載電流擾動觀測模型，通過將DOB觀測所得負(fù)載電流前饋至電壓外環(huán)補償器的輸出端，提高了輸出電壓對負(fù)載電流的抗擾動能力，增強了逆變器輸出外特性。

分析表明，與傳統(tǒng)雙環(huán)控制相比，所提控制策略可以使被控對象標(biāo)稱化，從而對參數(shù)攝動具備更強的魯棒性。仿真與實驗結(jié)果證明該方法具有以下優(yōu)點：

• 1）具備普適性和可移植性，推導(dǎo)所得控制參數(shù)的計算公式適用于任意三相橋式逆變器，有助于推動DOB技術(shù)在逆變器中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
• 2）大幅減小逆變器輸出電壓的跟蹤誤差，使逆變器在不同帶載情況下具備跟蹤輸出電壓為給定指令值的能力。
• 3）改善逆變器輸出電壓的暫態(tài)性能，有效抑制因負(fù)載突變帶來的電壓波動問題，提升電壓波動的恢復(fù)速度。
• 4）增強系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性，在濾波電容參數(shù)攝動66.67%時逆變器仍能維持穩(wěn)定運行。

以上研究成果發(fā)表在2020年第4期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于擾動觀測器的電壓源型逆變器負(fù)載電流前饋控制及參數(shù)設(shè)計方法”，作者為曹文遠(yuǎn)、韓民曉、謝文強、李蕊、袁棟。