基于LADRC自抗扰控制的VSG三相逆变器预同步并网控制策略附Simulink仿真

最新推荐文章于 2025-05-21 19:08:13 发布

matlab科研助手

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🔥 内容介绍

摘要： 虚拟同步发电机（VSG）作为一种模拟传统同步发电机运行特性的逆变器控制策略，在分布式电源并网领域展现出巨大的潜力。然而，VSG在并网过程中，尤其是在弱电网环境下，容易受到电网电压波动、频率变化以及谐波干扰等因素的影响，导致并网冲击和并网失败。本文提出一种基于线性自抗扰控制（LADRC）的VSG三相逆变器预同步并网控制策略，该策略利用LADRC强大的扰动抑制能力和快速跟踪能力，有效提高VSG的同步性能，降低并网冲击，确保逆变器的安全稳定并网。

关键词： 虚拟同步发电机；线性自抗扰控制；预同步；三相逆变器；并网控制

1. 引言

随着能源结构的转型，分布式电源（DG）如光伏、风电等在电力系统中的比例日益提高。然而，DG的间歇性和波动性给电网的稳定运行带来挑战。为了模拟传统同步发电机的惯性响应和阻尼特性，虚拟同步发电机（VSG）技术应运而生。VSG通过模拟同步发电机的数学模型，赋予逆变器类似同步发电机的运行特性，从而提高DG并网后的电网稳定性和可靠性。

然而，VSG在并网过程中面临着严峻的挑战。传统的VSG并网控制方法，如基于锁相环（PLL）的同步控制，在弱电网或存在谐波干扰的情况下，容易出现锁相失败或同步速度慢的问题，导致较大的电压和电流冲击，甚至造成并网失败。因此，如何提高VSG的同步精度和速度，降低并网冲击，成为当前VSG技术研究的关键问题之一。

自抗扰控制（ADRC）作为一种无需精确模型信息的控制策略，以其强大的扰动抑制能力和良好的鲁棒性而备受关注。线性自抗扰控制（LADRC）作为ADRC的一种简化形式，不仅保留了ADRC的核心思想，而且具有参数整定简单、易于工程实现的优点。

本文针对VSG并网过程中存在的同步困难和并网冲击问题，提出一种基于LADRC的VSG三相逆变器预同步并网控制策略。该策略利用LADRC对电网电压的实时跟踪能力和扰动补偿能力，实现VSG电压与电网电压的精确同步，从而降低并网冲击，提高并网成功率，确保逆变器的安全稳定运行。

2. VSG基本原理与数学模型

VSG的核心思想是模拟传统同步发电机的电气和机械特性。一个典型的VSG模型包括有功功率环、无功功率环、电压环和电流环。

2.1 有功功率环

有功功率环主要模拟同步发电机的功频特性，其表达式为：

scss

Jω̇ = P_ref - P_e - D(ω - ω_grid)

其中：

J：虚拟转动惯量；
ω：VSG输出电压的角频率；
P_ref：有功功率参考值；
P_e：VSG输出的有功功率；
D：阻尼系数；
ω_grid：电网电压的角频率。

该环节通过调节VSG的输出频率来响应有功功率的变化，模拟同步发电机的功频特性。

2.2 无功功率环

无功功率环主要模拟同步发电机的压频特性，其表达式为：

perl

E = V_ref + K_q(Q_ref - Q_e)

其中：

E：VSG内部电势幅值；
V_ref：电压参考值；
K_q：无功功率调节系数；
Q_ref：无功功率参考值；
Q_e：VSG输出的无功功率。

该环节通过调节VSG的内部电势幅值来响应无功功率的变化，模拟同步发电机的压频特性。

2.3 电压环和电流环

电压环和电流环主要负责控制VSG的输出电压和电流，通常采用传统的PI控制器或更高级的控制算法。电压环的输出作为电流环的参考值，电流环直接控制逆变器的开关状态，从而实现VSG的电压和电流控制。

3. LADRC控制器的设计

LADRC的核心思想是将系统总扰动估计出来并进行补偿，从而将复杂的非线性系统转化为线性系统，进而采用简单的线性控制策略进行控制。LADRC主要包括跟踪微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）和线性状态反馈控制率（LSEF）三个部分。

3.1 跟踪微分器 (TD)

跟踪微分器的作用是安排过渡过程，提取信号的微分信号。本文采用二阶线性TD：

scss

{ x_1(k+1) = x_1(k) + h*x_2(k) x_2(k+1) = x_2(k) + h*fhan(x_1(k) - v(k), x_2(k), r, h_0) }

其中：

x_1：跟踪信号；
x_2：跟踪信号的微分；
v：输入信号；
r：快速因子；
h：采样周期；
h_0：滤波因子；
fhan：最速控制综合函数。

TD能够快速跟踪输入信号，并提供输入信号的微分信息，为后续ESO的设计提供依据。

3.2 扩张状态观测器 (ESO)

ESO是LADRC的核心组成部分，其作用是估计系统的状态变量和总扰动。本文采用二阶线性ESO：

ini

{ e = z_1 - y z_1̇ = z_2 - β_1 * e z_2̇ = -β_2 * e + b*u z_3̇ = -β_3 * e }

其中：

y：系统输出；
z_1：状态变量估计值；
z_2：状态变量微分估计值；
z_3：总扰动估计值；
β_1, β_2, β_3：观测器增益；
b：补偿因子；
u：控制输入。

ESO能够实时估计系统的状态变量和总扰动，并将其用于控制器的设计中。

3.3 线性状态反馈控制率 (LSEF)

LSEF的作用是利用ESO估计的状态变量和总扰动，设计线性状态反馈控制器，实现对系统的精确控制。本文采用二阶线性状态反馈控制器：

ini

u_0 = k_1 * (r - z_1) - k_2 * z_2 u = u_0 - z_3 / b

其中：

r：参考输入；
k_1, k_2：控制器增益；
u_0：线性控制输出；
u：最终控制输出。

LSEF通过对状态变量进行线性反馈，并对总扰动进行补偿，实现对系统的精确控制。

4. 基于LADRC的VSG预同步并网控制策略

本文提出的基于LADRC的VSG预同步并网控制策略主要包括三个步骤：电网电压跟踪、VSG电压同步和并网投切。

4.1 电网电压跟踪

在并网之前，首先需要对电网电压进行精确跟踪。本文利用LADRC对电网电压的幅值、频率和相位进行实时估计，作为后续VSG电压同步的参考。具体实现方式是，将电网电压的dq坐标系下的分量作为LADRC的输入信号，利用ESO估计电网电压的幅值和频率，利用TD提取电网电压的相位信息。

4.2 VSG电压同步

在获得电网电压的幅值、频率和相位信息后，需要将VSG的输出电压同步到电网电压。本文采用基于LADRC的电压跟踪控制策略，使VSG的输出电压幅值、频率和相位与电网电压保持一致。具体实现方式是，将LADRC应用于VSG的电压环控制，利用LADRC对VSG的输出电压进行精确控制，使其跟踪电网电压的参考值。

4.3 并网投切

当VSG的输出电压与电网电压达到同步要求后，即可进行并网投切操作。为了降低并网冲击，本文采用软启动并网策略。具体实现方式是，在并网投切瞬间，缓慢增加VSG的输出功率，直至达到额定功率。

5. 仿真结果与分析

为了验证本文所提出的控制策略的有效性，利用MATLAB/Simulink搭建了VSG三相逆变器并网仿真模型。仿真结果表明，基于LADRC的VSG预同步并网控制策略能够有效地降低并网冲击，提高并网成功率，确保逆变器的安全稳定运行。

5.1 并网冲击分析

仿真结果显示，采用本文提出的控制策略，在并网瞬间，电压和电流冲击明显降低。相较于传统的基于PLL的同步控制策略，本文提出的控制策略能够更快地实现电压同步，从而减少并网冲击，提高并网的可靠性。

5.2 抗扰动性能分析

仿真结果还表明，在电网电压存在谐波干扰或电压波动的情况下，本文提出的控制策略依然能够保持良好的同步性能。这是因为LADRC具有强大的扰动抑制能力，能够有效地补偿电网电压的扰动，从而保证VSG的输出电压与电网电压保持同步。

6. 结论

本文提出一种基于LADRC的VSG三相逆变器预同步并网控制策略，该策略利用LADRC对电网电压的实时跟踪能力和扰动补偿能力，实现VSG电压与电网电压的精确同步，从而降低并网冲击，提高并网成功率，确保逆变器的安全稳定运行。仿真结果表明，本文提出的控制策略具有良好的同步性能和抗扰动性能，能够有效地提高VSG在弱电网环境下的并网可靠性。

7. 未来研究方向

未来的研究方向可以包括：