光伏并網逆變器H∞魯棒控制策略的研究

黃存榮，王 冰，程永樂，郝 巍

(1.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京211100；2.寧夏電投尚德太陽能發電有限公司，寧夏銀川751100)

光伏并網逆變器H∞魯棒控制策略的研究

黃存榮1，王 冰1，程永樂1，郝 巍2

(1.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京211100；2.寧夏電投尚德太陽能發電有限公司，寧夏銀川751100)

光伏并網系統中，為了抑制逆變器參數不確定和電網干擾對輸出電能的影響，提出了基于H∞魯棒控制的光伏并網逆變器控制策略。在分析三相光伏并網逆變器的數學模型基礎上，建立了包含不確定參數和電網干擾的模型，基于系統性能要求選取加權函數，并求得廣義被控對象的狀態空間實現，通過求解代數Riccati方程，得到H∞魯棒控制器。通過仿真與傳統PI控制方法進行比較，驗證了該控制器對參數變化和電網干擾具有較強的魯棒性。

光伏并網逆變器；參數不確定；電網干擾；H∞控制；魯棒性

光伏并網逆變器是并網型光伏系統能量轉換與控制的核心，它關系到并網的穩定性和可靠性，影響整個電網的電能質量[1]。目前，光伏并網逆變器控制策略主要包括空間矢量控制、PI控制[2-3]等，同時針對光伏逆變器非線性特征提出了各種非線性控制方法，如狀態反饋線性化、滑模控制等[4-5]。這些控制策略雖然能夠實現對光伏并網系統的良好控制，但在實際運行中，還必須考慮到逆變器參數不確定性和電網干擾的影響，要求并網逆變器具有良好的魯棒性能。

對于這一問題，本文采用H∞魯棒控制理論來解決。H∞魯棒控制理論作為現代魯棒控制理論中的一種重要方法，對外部擾動和模型參數不確定性具有較強的魯棒性，同時H∞控制具有解決多變量問題的能力，可直接應用于多輸入多輸出系統(multi-input multi-output，MIMO)[6-7]。仿真結果表明本文所設計的H∞魯棒控制器對逆變器參數不確定和電網干擾具有很好的抑制效果，輸出電流能夠滿足并網要求。

1 三相光伏并網系統模型

三相光伏并網系統的拓撲結構如圖1所示。

圖1 光伏并網系統拓撲結構圖

2 三相光伏并網逆變器的控制策略

當前H∞控制的研究成果主要集中于線性系統范疇，而根據式(1)可知三相光伏并網逆變器的模型為非線性、強耦合系統，無法直接設計H∞控制器。因此將三相光伏并網逆變器的控制器設計為電壓外環控制和電流內環控制的雙閉環控制系統。

圖2 三相光伏并網逆變器的控制系統結構圖

3 H∞魯棒控制器的設計

3.1 標準H∞控制框圖的設計

根據式(1)可得三相光伏并網系統電流內環的數學模型如下所示：

在實際的光伏并網系統中，并網逆變器參數會存在不確定性，同時系統在運行過程中會受到來自電網電壓的外界干擾。首先考慮參數不確定性，假設參數和參數的偏差分別為Δ和Δ，即和可表示為：

采用將參數不確定性的影響轉化為相應等效干擾的方法，令：

可得三相光伏并網逆變器在參數不確定性和電網電壓干擾下的系統模型為：

設計電流環H∞魯棒控制器的控制目標是抑制模型參數變化和外界干擾的影響，使得并網電流有效地跟蹤期望值(dref和qref)，以獲得較小的總諧波畸變率(total harmonic distortion，THD)，因此選擇系統狀態變量，干擾變量，測量輸出變量，控制輸入變量，則根據圖2和式(6)可以得到如下狀態方程：

其中：

根據標準H∞控制問題模型設計出三相光伏并網逆變器H∞控制框圖，如圖3所示。其中：為根據系統性能要求選取的加權函數；為評價輸出；P為被控對象，K為控制器。

圖3 三相光伏并網逆變器H∞控制框圖

3.2 廣義被控對象的狀態空間實現

設3個加權函數的狀態空間實現分別為

則可求得：

得到廣義被控對象的狀態空間實現為：

其中：

3.3 加權函數的選擇與控制器的求取

確定了加權函數后，首先將3個加權函數狀態空間實現為式(8)形式，然后將逆變器參數=4.5 mH、=0.2 Ω代入式(7)，式 (12)求得廣義被控對象的狀態空間實現。最后通過Matlab魯棒工具箱求解2個代數Riccati方程[8]，得到一個8階的魯棒H∞控制器，為便于實現，利用Reduce函數進行降階處理，所得控制器為：

4 仿真分析

在Matlab/Simulink平臺中建立三相光伏并網系統模型進行仿真，將本文的H∞魯棒控制策略與傳統的雙閉環PI控制方法進行比較。仿真參數：電網線電壓為380 V；電網電壓頻率為50 Hz；濾波電感為4.5 mH；電阻為0.2 Ω；直流側電容為2 000 μF；直流側電壓為600 V，逆變器開關頻率為10 kHz。

在模型參數精確且無電網電壓干擾的情況下，PI控制器和本文所設計H∞魯棒控制器的控制效果如圖4所示，圖中為A相電網電壓和并網電流。為清晰地觀察電流波形，將其幅值放大了5倍，可見二種控制器均能使并網電流較好地跟蹤指令信號，與電網電壓保持同步，滿足單位功率因素并網要求。

圖4 模型參數精確且無電網干擾時的仿真結果

從圖5和圖6可以看出當逆變器參數發生變化，電網電壓存在擾動時，使用PI控制器的并網電流波形發生嚴重的畸變，THD達到6.50%，不符合并網要求，魯棒性較差；而采用本文的H∞魯棒控制器時，電流波形質量很好，THD降到了2.29%，滿足并網要求，魯棒性較強。

圖5 模型參數變化且有電網干擾時的并網電流

圖6 模型參數變化且有電網干擾時的并網電流頻譜圖

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Research on H∞robust control of photovoltaic grid-connected inverter

In order to suppress the influences of inverter parameters uncertainty and grid disturbances to the output power quality,the control strategy of photovoltaic grid inverter based on H∞robust control was proposed.Based on analysis of the three-phase photovoltaic grid inverters mathematical model,a modified model was constructed,which contained uncertain parameters and grid disturbances.The weighting function was selected according to the requirements of system performance, and the generalized state-space realization of the controlled object was calculated.The H∞controller was obtained by solving algebraic Riccati equations.Compared with the traditional PI controller, the simulations verify that the controller has strong robustness about parameters variations and grid disturbances.

photovoltaic grid-connected inverter;parameters uncertainty;grid disturbances;H∞control;robustness

TM 615

A

1002-087 X(2016)03-0607-03

2015-08-15

國網科技項目(規模化光伏發電運行控制關鍵技術研究與示范)

黃存榮(1989—)，男，安徽省人，碩士研究生，主要研究方向為光伏發電與新能源技術。