基于扰动观测器的电压源型逆变器控制_程丽敏

2011年8月 第26卷第8期

电 工 技 术 学 报

TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

Vol.26 No. 8

Aug. 2011

基于扰动观测器的电压源型逆变器控制

程丽敏 李兴源

（四川大学电气信息学院 成都 610065）

摘要 基于扰动观测器（DOB ）的原理，结合PWM 电压源型逆变器受控对象的特点，为逆变器提出了一种新的控制策略，并设计了相应的附加型扰动观测器。将附加型扰动观测器作为补偿器添加到传统的双环反馈控制系统中，提高了逆变器输出的抗干扰性能和动态响应速度。这种附加型扰动观测器结构简单、实现时所需计算量小且不需要增加新的采样信号，适合工程应用。在基于DSP MC56F8323的PWM 逆变器系统中对新的控制系统和传统的控制系统进行比较，该附加型扰动观测器的有效性和实用性得到了验证。

关键词：电压源型逆变器 扰动观测器 PWM 控制系统 中图分类号：TP303

Disturbance Observer Based PWM Inverter Control

Cheng Limin Li Xingyuan

（Sichuan University Chengdu 610065 China）

Abstract Based on disturbance observer theory (DOB), combining the characteristic of PWM voltage source inverter (VSI), a new control strategy is proposed for the inverter and the add-on DOB controller is designed. The add-on DOB controller is used as a compensator to the conventional double loop feedback inverter control system, so that the inverter can achieve fast dynamic response and improve disturbance rejection performance. The add-on DOB controller is easy to apply in the actual projects for the simple structure and short calculation time while implementing in the digital control system. Moreover, none of new sample signals are needed. The conventional control system and the new control system are compared. Experiments are carried out on a PWM inverter control system based on DSP MC56F8323. The results are provided to verify and confirm the practical efficiency of the proposed approach.

Keywords ：Voltage source inverter, disturbance observer (DOB), PWM, control system

这两项指标进行了深入的研究，并应用了一些先进的控制算法如重复控制和Deadbeat 控制等。

实际工程中应用最多的双环控制系统[1]，其性能指标如THD 和系统响应速度常通过增大控制增益来调节，但系统性能往往和稳定性相互制约，控制增益过大可能导致系统的不稳定。于是为了改善逆变器的性能，常需要在传统的控制系统中加入附加控制，如用来改善THD 指标的重复控制[2-3]、用来提高系统响应速度的Deadbeat 控制[4-8]等。Deadbeat 控制虽能提高系统的响应速度，但是加入Deadbeat 控制后，系统性能对系统参数、负荷变化、噪声会很敏感。

1 引言

近年来，用于不间断电源（UPS ）、高压直流输电（HVDC ）等场合的电压源型逆变器作为一种稳定的、干净的电源，随着通信、信息技术和电力系统的迅速发展，在银行、医院、精密仪器厂、通信、电力系统轻型直流输电等领域得到了越来越广泛的应用。相应地，人们对逆变器的质量要求也越来越高。输出电压谐波总畸变率（THD ）和系统响应速度是衡量逆变器性能的两项重要指标。人们对

收稿日期 2010-09-06 改稿日期 2010-03-16

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为提高系统的抗干扰性和响应速度，本文基于扰动观测器（DOB ）的原理，为PWM 电压源逆变器设计了一种附加型扰动观测器。这种附加型扰动观测器能将受控对象标称化，且对于不确定扰动和参数变化具有很好的鲁棒性[9-15]。实验表明，加入附加型扰动观测器前，逆变器输出电压在受到扰动的第一个周期可以恢复到93%，而加入附加型扰动观测器后，逆变器输出电压在受到扰动的第一个周期可以恢复到97%，附加型扰动观测器的加入大幅提高了系统的响应速度。

本文介绍了传统的电压源型逆变器双环控制系统及扰动观测器的工作原理，并针对单相逆变器设计了附加型扰动观测器。为了验证附加型扰动观测器的有效性，在1kVA 样机上对传统的控制系统和新的控制系统分别进行了仿真分析和实验验证。最后对实验结果进行了总结。

图3 简化的传统电压源型逆变器控制系统 Fig.3 The simplified conventional control system of VSI

图2 传统的电压源型逆变器控制系统 Fig.2 The conventional VSI control system

忽略直流电压采样延迟和控制信号输出延迟，则输出电压前馈信号完全补偿了电压负反馈信号，控制系统相应地得到简化，如图3所示。

2 电压源型逆变器控制系统

2.1 电压源型逆变器电路图

图1给出了带有线性或非线性负荷的逆变器电路图。

图3给出了简化的传统逆变器控制系统框图，系统考虑了直流母线电压幅值波动的影响，以d bus 表示。其传递函数可表示为

V c (s ) =G rv V c *(s ) −G iv i o (s ) −G dv d bus (s ) （1）

式中

G rv =G iv =

图1 电压源型逆变器电路 Fig.1 The power circuit of VSI

K v K i

L f C f s +(R f +K i ) C f s +K v K i

L f s +R f

L f C f s +(R f +K i ) C f s +K v K i

1

L f C f s 2+(R f +K i ) C f s +K v K i

2

G dv =

其中，V d 为直流母线电压幅值，L f 、R f 为滤波电感的等效电感和等效串联电阻，C f 为滤波电容，i l 、i c 、i o 分别为电感电流、电容电流和负荷电流，V c 为逆变器输出电压。

逆变器带有一定的可变阻抗，并不是一个理想的电压源，当系统负荷突然变化时，输出电压会产生相应的波动。设计附加控制器的目的就是为了提高系统的响应速度，减小这种波动。 2.2 传统的电压源型逆变器控制系统

图2给出了传统的逆变器控制系统框图，点画线部分描述了受控对象。

其中，V c *为参考输入电压，K v 、K i 分别为电压 和电流环增益，K pwm

V V −1

=d ，K pwm =t ，V t 为载波V t V d

式（1）右端第二项反映了负荷电流对输出电压的影响，第三项反映了直流母线电压扰动对输出电压的影响。由式（1）可知，负载电流和d bus (s ) 越大，输出电压波动也就越大。另外由G iv 表达式可知，滤波电感的等效串联电阻对输出电压的影响也很大。因此，如何有效地减小输出电压波动是一个值得研究的问题。采用传统的双环控制器，可通过增大K v 、K i 减小电压波动。但这并不是根本的解决办法，而且增益过大可能导致系统不稳定。

在传统的控制器设计过程中，一般忽略负荷电流和直流母线电压的扰动，为简单起见一般还将受控对象假设为一个标称系统，即假设滤波电感的等效串联电阻不存在且等效电感为恒定值。但是，在实际系统中，滤波电感的等效电感和串联电阻不但存在且会随着电感电流的变化而变化。将被控对象标称化，并消除外部扰动对系统的影响，是本文引

信号幅值，e −τs 为等效延迟环节。

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入扰动观测器的出发点和目的。 设计原则如下：

（1）N 越大，系统鲁棒性越强，但是鲁棒稳定性因为较大的相位延迟而变弱。

（2）Q (s ) 的截止频率受高频噪声和系统不确定高频成分限制。

3.2 逆变控制系统附加型扰动观测器的设计

由第2.2节分分析可知，在传统的控制系统中，快速的响应速度需要和控制系统的稳定性相妥协。由式（1）可知，负荷电流和滤波电感的等效阻抗严重影响了暂态响应的速度。扰动观测器设计的目的就是要对外部扰动和滤波电感进行估计和补偿。

由图4所示的扰动观测器结构图，可以得到附加型扰动观测器的等效结构图如图5所示。

3 扰动观测器

3.1

扰动观测器的基本原理

其中，U (s ) 图4给出了扰动观测器的结构图[12]。

为主控制器的输出，d (s ) 为系统外部扰动，Y (s ) 为系统输出，P (s ) 为受控对象的实际模型，P n (s ) 为受控 对象的标称模型，P n −1(s ) 为标称模型的逆，Q (s ) 为 低通滤波器，ξ(s ) 为测量噪声。

图4 扰动观测器的结构图

Fig.4 The structure of disturbance observer

扰动观测器的原理可通过系统的输入（U (s ) ，d (s ) ，ξ(s ) ）到输出Y (s ) 的传递函数即等式（2）说明。

Y (s )=G uy U (s )+G dy d (s )+G ζy ζ(s ) （2）

式中

G uy

PP n (1−Q ) PP n

，G dy =， =

Q (P −P n ) +P n Q (P −P n ) +P n

图5 附加型扰动观测器的等效结构图 Fig.5 The equivalent add-on structure of DOB

其中，K =

Q

P n −1，相应地，可以得到带有扰 1−Q

动观测器的逆变器控制系统，如图6所示。

G ξy =

PQ

Q (P −P n ) +P n

图6 带有扰动观测器的逆变器控制系统框图 Fig.6 The inverter control system diagram with DOB

由式（2）可知，如果Q (s ) ≈1，那么外部扰动可以得到完全抑制（G dy ≈0），且被控对象近似为标，但是系统对于测量噪声就会很称模型（G uy ≈P n ）

。从频域响应分析，希望Q (s ) 为低通敏感（G ξy ≈1）

滤波器，当系统频率小于截止频率时，则|Q (jω)|≈1、|G uy (jω)|≈P n ，因此低频扰动得以抑制，|G dy (jω)|≈0、

实际模型也得以标称化；当系统频率高于截止频率，|G ξy (jω)|≈0，高频噪声信号得以抑制。则|Q (jω)|≈1、

由以上分析可知，Q (s ) 是扰动观测器设计的关键。

对于式（3）所示的被控对象，Q (s ) 可以设计为式（4）所示的形式

P (s ) =

(s +z 1) ⋅⋅⋅(s +z n ) s l (s +p 1) ⋅⋅⋅(s +p m )

1+Q (s ) =

1+

图6给出了带有扰动观测器的控制系统框图。其中，P (s )=1/(L f s +R f ) 为待观测的滤波电感的数学模 型，P n =1/L *s 是滤波电感的标称模型，i o 为负荷电 流，是系统外部扰动。

控制系统的传递函数如式（5）所示。 V c (s ) =G ry V c *(s ) −G iy i o (s ) −G dy d bus (s ) （5）

式中

（3） G =

ry

K i K v K +K i K v L *s

L *L f C f s 3+(R f +K +K i ) L *C f s 2+(K v L *+C f K ) K i s +K i K v K

∑∑

k =1k =1

L

a k (τs ) k

（4）

a k (τs ) k

G iy =

L *s (L f s +R f )

L L f C f s +(R f +K +K i ) L C f s +(K v L +C f K ) K i s +K i K v K

式中，L ≥l −1(L ≥0) ，N −L ≥l +m −n 。

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G dy =

L *s

L *L f C f s 3+(R f +K +K i ) L *C f s 2+(K v L *+C f K ) K i s +K i K v K

4 仿真分析和实验结果

为了验证控制算法的有效性，对一台1kVA 的电压源型逆变器进行了仿真分析和实验验证。系统参数见表1。

表1 1kVA 逆变器系统参数 Tab.1 The parameters of 1kVA VSI

参 数 额定容量/kVA 额定有功功率/W 额定电压/V 额定频率/Hz 滤波电感/mH 滤波电容/μF

数 值 1 680 220 50 2 4.7

图8 由扰动到系统输出的伯德图 Fig.8 The Bode diagrams from the disturbance

to the output

4.2 实验结果

实验结果对比了相同负荷突变下传统控制系统和加入附加型扰动观测器的控制系统的实验波形。表2、表3给出了系统响应的实验数据，实验波形如图9～图12所示。

表2 线性负荷实验数据

Tab.2 The datasheet of the experiment with linear load

线性负荷 （680W ） 附加DOB 原系统

加载第一个周期的

输出电压/V

卸载第一个周期的

输出电压/V

本文所设计Q (s ) 为一阶低通滤波器，其截止频率为100Hz 。 4.1 仿真分析

图7给出了由参考输入到输出的系统阶跃响应对比图。

213.4 232.7 204.4 249.9

表3 非线性负荷实验数据 Tab.3 The datasheet of the experiment

with none-linear load

非线性负荷 （1kVA ） 附加DOB 原系统

加载后恢复额定电压 96%的时间/ms

卸载第一个周期的

输出电压/V

80 230.4 100 239.9

图7 由参考到系统输出的阶跃响应曲线 Fig.7 The step response curves from the

reference to the output

由图7可以看出带有附加型扰动观测器的控制系统有较快的响应速度，且没有稳态误差。而原来的控制系统在相同的负荷条件下，稳态误差较大且响应速度较慢。

图8分别给出了由直流母线电压扰动（左侧）和负荷电流扰动（右侧）到系统输出的伯德图。

由图8可以看出，带有扰动观测器的控制系统能够有效地抑制频率在100Hz 以下的外部扰动。

图9 瞬投额定线性负荷时实验波形

Fig.9 The waveforms of experiment (on 100% R load)

由表2可知，当瞬投相同的额定线性负荷后，带有扰动观测器的系统输出电压在第一个周期内恢复97%，而不带扰动观测器的系统输出电压只能恢

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程丽敏等 基于扰动观测器的电压源型逆变器控制

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由表3可知，瞬投相同的额定非线性负荷后，带有扰动观测器的系统可以在80ms 内恢复96%额定电压，而不带扰动观测器的系统恢复96%额定电压需要100ms 的时间，如图11输出电压虚线框部分所示。当瞬卸额定功率的非线性负荷时，带有扰动观测器的系统在第一个周期内超调4.7%，而不带扰动观测器的系统超调9%，如图12输出电压虚线框部分所示。

由以上分析可知，无论对于线性负荷还是非线性负荷，扰动观测器都能有效提高系统的响应速度。

图10 瞬卸额定线性负荷时实验波形

Fig.10

The waveforms of experiment (off 100% R load)

5 结论

基于扰动观测器的原理，本文为传统的电压源型逆变器控制系统提出了一种新的补偿控制策略。基于该控制策略的附加型扰动观测器结构简单、方便添加、易于实现。经Matlab 仿真分析和在1kVA 电压源逆变器产品上实验验证，加入附加型扰动观测器的控制系统具有较强的抗干扰性和快速的系统响应。

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图11 瞬投额定RCD 负荷时实验波形

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图12 瞬卸额定RCD 负荷时实验波形 Fig.12 The waveforms of experiment

(off 100% RCD load)

复93%，如图9输出电压虚线框部分所示。当瞬卸额定功率的线性负荷时，带有扰动观测器的系统输出电压在第一个周期内超调5.7%，而不带扰动观测器的系统输出电压超调13.5%，如图10输出电压虚线框部分所示。

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作者简介

程丽敏 女，1977年生，博士研究生，从事电力系统稳定与控制研究。

李兴源 男，1945年生，教授，博士生导师，研究方向为电力系统分析、电力系统稳定与控制研究、高压直流输电。