摘 要

在新能源的开发与利用过程中，并网逆变器作为分布式发电系统与电网或者用户之间的通道，其性能优劣直接影响着新能源利用的效率。数字化的高频 PWM 调制技术使得并网系统的控制更为灵活，但是对于并网逆变器的性能要求也更高。为了抑制PWM带来的开关谐波，提高逆变器输出阻抗模值，实现高质量的进网电流，本文针对自抗扰控制技术在并网逆变器电流控制器中的应用及实现进行了相关研究。

自抗扰控制器是一种新型的非线性控制器，与传统控制器相比，它改进了系统的反馈控制和扰动估计补偿，使系统拥有很强的鲁棒性和通用性，从根本上提高了系统的抗扰动能力与动静态性能。

本文研究并设计了基于自抗扰控制的并网电流调节器 ，通过仿真验证了该控制器有良好的稳定性。传统控制方式（PR）相比较，自抗扰控制大大增强了系统的抗扰动能力。

关键词：并网逆变器；稳定性；自抗扰控制；LCL滤波器；分布式发电

Abstract

In the development and utilization of new energy, grid-connected inverter as a connection between the distributed power generation system and the power grid or user interface equipment, it directly affect the efficiency of new energy. Digital high-frequency PWM makes the control of the grid system more flexible, but the performance requirements for grid-connected inverter is also higher. In order to suppress the switching harmonics caused by PWM and improve the output impedance of the inverter, realize the high quality of the input current. In this paper, the application and realization of the auto-disturbance rejection control technology in the grid-connected inverter current controller Related research.

Active Disturbance Rejection Control (ADRC) Technique is a new type of nonlinear controller. Feedback control and disturbance estimation compensation are improved at both angles, which can improve the anti-disturbance ability and dynamic and static performance of the system, and have strong robustness and versatility.

In this thesis, a grid-connected current regulator based on ADCR is designed. The simulation results show that the controller has good stability. Compared with the traditional control mode (PR), the ADRC greatly enhances the system's anti-disturbance ability.

Key Words：grid-connect inverter；stability；ADRC; LCL filter; Distributed generation

目 录

第一章 绪论 1

1.1能源危机与环境污染 1

1.2分布式发电系统中的并网逆变器 1

1.3并网逆变器的闭环参数设计 2

1.4本文的研究内容 2

第二章 LCL并网逆变器模型 4

2.1 系统概述 4

2.2 LCL逆变器阻抗模型 4

2.2 LCL滤波器设计 6

2.3控制策略 7

2.3.1电网电压比例加权前馈策略 7

2.3.2 电容电流反馈 8

第三章 基于自抗扰控制的电流调节器 10

3.1跟踪微分器(TD)的设计 10

3.2扩张状态观测器(ESO)的设计 11

3.3非线性状态反馈（NLSEF）的设计 11

3.4 自抗扰控制器 12

第四章 闭环参数设计及仿真结果 13

4.1电流调节器参数整定 13

4.2仿真验证 13

4.3 鲁棒性分析 15

4.4 与PR控制器对比 17

第五章 总结与展望 21

参考文献 22

附录A 23

附录B 25

致 谢 26

第一章 绪论

1.1能源危机与环境污染

化石能源是人类现代文明的基石，然而化石能源也有很多弊端，其中之一就是它在使用的过程中会产生大量的废弃物，对环境造成了严重的负面影响。表1为2016年一次能源消费量中各类能源所占比例^[1]，从中可以看出，化石能源占比最高，仍为处在主导地位。化石能源中，只有石油的增长率略微增高，天然气和煤炭的增长率都下降了并且远低于其十年平均水平。这是因为世界环境的日益恶化传统能源的日渐枯竭，促使了新能源的开发和利用。欧洲光伏产业协会报道称，世界太阳能发电容量在2012年第一次超过了100GW，到了2014年，已经接近180GW。可再生能源的利用，是缓解我国能源问题解决我国环境污染和保障我国电力安全的重要途径之一。2015年，在非化石能源中，我国太阳能增长的速度达到了惊人的69.7%^[1]。可以预见，将来一定会建设更多的光伏发电系统，基于可再生能源的发电单元将成为电力系统中最重要的电源之一。

表1.1 2015年一次能源消费量中各类能源所占比例

1.2分布式发电系统中的并网逆变器

大部分可再生能源无法直接的使用，需要通过分布式发电系统并入电网，其中关键的一环便是并网逆变器，它是连接可再生能源和电网的接口。并网逆变器分为单相和三相两种，单相并网逆变器主要用于容量较小的户用型发电系统，而三相并网逆变器则在大规模的分布式发电站有较多的应用^[2]。并网逆变器通常采用脉冲宽度调制（PWM）策略，其输出电压存在大量开关谐波，为了抑制并网电流中的开关谐波，需要选用合适的输出滤波器。LCL型滤波器中含有一个滤波电容，高频谐波电流能够由这个电容提供的旁路通道通过，并且具有体积小，成本低的优势。美中不足的是，在LCL型滤波器的频率响应曲线上会出现一个谐振尖峰，而这个谐振尖峰可能使并网逆变器输出电流畸变，更严重的情况下会导致系统不稳定，因此需要对这个谐振尖峰进行有效的阻尼。

LCL型并网逆变器面临的问题可以从并网电流质量和稳定性两方面进行概括^[3]，具体如下：（1）需要选取合理的LCL滤波器参数来抑制PWM调制产生的开关谐波，从而保证并网电流满足谐波标准。（2）需要LCL滤波器谐振尖峰进行阻尼，并合理设计闭环控制参数。（3）在使用数字控制并网逆变器时，计算延时和调制延时可能会影响有源阻尼的特性，并且使并网电流闭环控制无法达到预计的效果，因此需要采取有效措施减小延时的造成的不利影响。（4）实际的电网电压连接在公共并网点（PPC）处，而PCC附近通常连接有本地负载，其中的非线性设备产生的谐波电流使得PCC处的电网电压含有背景谐波,会影响并网电流的波形质量以及锁相环性能，需要采取有效措的抑制措施。（5）由PCC点，电网可以看做一个电压源和线路阻抗的串联，此时，这个线路阻抗可能对并网逆变器的稳定性有一定的负面影响^[4]。

1.3并网逆变器的闭环参数设计

解决上文提到的逆变器问题关键手段之一是合理地设计逆变器的闭环参数，这对保证逆变器的稳定性非常重要。需要设计的闭环参数主要有电容电流反馈和并网电流调节器。设计的主要目标是：(1)并网电流稳态误差小；(2)动态响应快，超调量小；(3)并网电流低次谐波(主要为第三到第九次)含量低^[5]。为达到这些目标，需要系统的截止频率、GM、PM以及低频段增益（特别是频率为50Hz附近的增益）满足要求。