本发明涉及一种电流调节器，具体涉及一种基于自抗扰控制的并网电流调节器，属于微电网并网技术领域。
背景技术：
现阶段，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。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，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(pcc)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。
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。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。
使用合适的电力电子转换器的控制策略，可以巩固并网逆变器的功率调节功能。就目前的控制方式来说，比例-积分(pi)控制器是最流行的三相逆变器控制器，因为它的结构简单并且能够在帕克和克拉克变换的帮助下进行无静差跟踪控制。在单相逆变器系统中，比例-谐振(pr)控制器被广泛使用，应当建立一个虚拟直角坐标系，使得这个pr控制器能够转换成为一个pi控制器。而pr控制器有几个优势，它只需要较少的派克变换，实现简单，因此它的计算量和复杂性较小。因此，pr控制器成为了单相并网系统中常用的电流控制器。众所周知，单相并网逆变器输出电流的谐波主要为奇次谐波(如第三、五、七次谐波)。由于单一的pr控制器不能阻止所有的谐波，pr控制器可能无法使高质量电流流入电网。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是提供一种基于自抗扰控制的并网电流调节器。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。本发明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。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于自抗扰控制的并网电流调节器，包括自抗扰控制器以及被控对象，所述的被控对象为lcl型并网逆变器，所述的自抗扰控制器包括跟踪微分控制器trackingdifferentiator，td；扩张状态观测器extendedstateobserver，eso；非线性状态误差反馈控制律nonlinearstateerrorfeedback，nlsef，
所述跟踪微分控制器的输入为v，所述跟踪微分控制器的输出v1和v2与扩张状态观测器的输出z1和z2做减法比较后作为所述状态误差反馈控制律的输入e1和e2；所述状态误差反馈控制律的输出u0与所述扩张状态观测器的输出z3做减法比较后的值作为所述扩张状态观测器的第一输入信号；所述状态误差反馈控制律与所述扩张状态观测器的输出z3先做减法比较，再进行1/b倍增益后，作为所述被控对象的输入信号；所述被控对象的输出y作为所述扩张状态观测器的第二输入信号。
本发明中，跟踪微分器(td)，用以提取品质较好的微分信号并安排过渡过程；非线性反馈律(nlsef)，用以改善闭环系统的动态特性；扩张状态观测器(eso)，用以估计系统实时的内部和外部扰动并给予补偿。所述lcl型并网逆变器是基于电容电流和电网电流双闭环控制的lcl滤波并网逆变器，并作为自抗扰控制器的被控对象，其控制策略采用电网电压比例加权前馈策略和电容电流反馈策略。
更进一步的方案是：
所述跟踪微分控制器的控制函数为：
式中，fhan为最速控制综合函数的估计值；k为系统比例系数；r为速度因子；h为离散积分步长；v是td环节的输入信号，即给定电流信号
本发明中，所述跟踪微分控制器最速控制综合函数fhan(x1,x2,r,h)的算法公式如下：
r为速度因子，h为离散积分步长，y是被控对象的输出，d为微分因子，d0为微分系数，a和a0为系数估计值。其中sign(y)，sign(a)为取符函数。取h＝0.01，跟踪微分控制器td的输出v1会在加速度限制下以最快速度跟踪输入信号v(t)，而且r越大，跟踪速度越快，当v1快速跟踪v时，输出v2即为输入信号v的微分，h作为滤波因子用于滤除输入信号v的噪声，从而对带有噪声的输入信号实现滤波和微分计算，h的值越大滤波效果越明显。
本发明中，所述扩张状态观测器的计算模型是：
式中：z1、z2、z3为观测器状态的估计，z1跟踪进网电流ig信号，z2跟踪进网电流ig信号的变化，z3跟踪系统的总扰动；β01、β02、β03为大于0的待确定的观测器参数；b0是对控制量增益b的估算值；e1为状态观测器的输出与td环节参考值输出的误差；fa1(e1)为与e1同号的非线性函数；u为状态观测器的输入。
本发明中，所述非线性状态反馈的计算模型如下：
式中u0(k)为非线性状态反馈环节nlsef的传递函数；e2是系统输入信号的微分与对应的状态观测器输出的差值；c和r为调节e1和e2之间比例关系的系数；h1为非线性状态反馈环节的仿真步长。
本发明的有益效果是：
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。本发明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。
附图说明
图1是本发明单相lcl型并网逆变器原理图；
图2是本发明自抗扰控制系统框图；
图3是本发明环路增益的伯德图；
图4是本发明不同系统参数下波特图(电感l1增大10％)
图5是本发明不同系统参数下波特图(电感l1减小10％)；
图6是本发明不同系统参数下波特图(电容增大20％)；
图7是本发明不同系统参数下波特图(电容减小20％)；
图8是本发明不同系统参数下波特图(电感l2增大150％)；
图9是本发明不同系统参数下波特图(电感l2减小10％)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
1.lcl并网逆变器设计。如图1所示为l单相lcl型并网逆变器原理图，lcl并网逆变器闭环参数设计方法为：(1)改变电感大小，使得一个周期内电感电流的纹波达到最大值，这样就能得到逆变器侧电感能够取到的最小值，由此得出电感l1的参数范围；(2)通过改变滤波电容的大小使得系统引入最大无功功率(须小于系统额定功率的5％)，可以得到滤波电容能够取到的最大值；(3)根据并网标准对并网电流畸变率的限制(三到九次的奇次谐波在4％以下)，可以得到网侧电感能取到的最小值，在此范围内选择合理的网侧电感参数。(4)在两个电感上的总电压降落大小压须小于电网在额定工况下的电压的10％；(5)应合理设置lcl滤波器的谐振频率，使之处于电网额定频率的十倍与逆变器开关频率的二分之一之间，以避免lcl滤波器的谐振峰出现在低频或高频段。
2.自抗扰控制器设计。如图2所示为自抗扰控制系统框图，其设计算法为：
(1)安排过渡过程。过渡过程v1由给定值v提取，v2为给定值v的微分信号。
(2)根据系统输出y以及系统输入u提取系统的实时加速度来跟踪和估计系统的状态和受到的扰动。
式中，β01，β02，β03为一组参数。
(3)状态误差的非线性反馈律。
式中，p为一组参数。
(4)扰动补偿过程。用扰动估计值z3来调整误差反馈控制量u0，从而得出最终控制量。
3.电流调节器参数整定：
由于环路增益的相频曲线在谐振频率fr处穿越-180°，为了保证足够相位裕度，截止频率fc需要低于fr。
自抗扰控制器中eso、td、nlsef3个环节的参数设定的是否合理将会直接影响到系统的控制效果，可以根据“分离性原理”确定每个参数，依次各个环节的参数。
1)td环节
一般地，在选择仿真步长h的时候，在选择尽量小的值的同时应满足系统的稳定裕度，并且保证在这个精度下，计算机拥有足够的计算能力。在系统中选择h＝0.01。
r0是决定过渡过程时间的参数，r0越大则越接近原始的输入，但实际的被控对象有限的承受能力致使r0的取值不能太大。一般取：
实际仿真中r0取为1。
h0的选择应h0＞＞h，实际仿真取值为h0＝0.01。
2)eso环节
β01，β02，β03，β04的选择和系统仿真步长由密切关系，由于确定了仿真步长h0＝h，可以参考以下计算式确定β01，β02，β03，β04的大小：
3)nlsef环节
δ0＝0.01；β1＝1000，β2＝4350，β3＝20；α1＝1，α2＝1.1，α3＝0.18.
4.仿真验证。
如图3所示为环路增益的伯德图，图中幅值裕度(gm)以及相位裕度(pm)均达到了预期的标准，而且截止频率(记为fc)约为1.85khz，具有良好的动态性能。
5.鲁棒性分析。
在实际应用环境中，滤波器各项参数常常无法达到最初的设计值，不仅如此，在并网系统运行过程中，在温度、湿度等环境因素的影响下，滤波器的参数可能发生变化，除此之外，电网的阻抗也可能对系统参数造成影响，比如在电网的末端，较长的电缆以及变压器会使得网侧呈感性，而大多数的分布式发电系统恰恰就处在这样的条件下。由于上述原因，在实际的系统中，设计的控制器有足够的鲁棒性，以保证系统在参数变动的情况下仍然能够稳定运行并且输出较高质量的电流。为达到上述目标，在设计时就有必要验证控制器的抗扰动性能，由于电感l2与电网串联，可以近似将电网参数的变动体现为网侧电感l2的变动。按照上文中得到的控制器参数，分别绘制出在不同的系统参数波动情况下，开环系统伯德图如图4-图9所示。
由图4-图9可知，由于在控制器参数的设计过程中充分考虑了系统稳定裕量，即使在系统参数出现很大波动的情况下，如电感l1以及电容c波动在-10％与10％之间，电感l2变化范围从-10％到100％，系统依然能够保持稳定，最小的gm依然高于设计要求3db，pm均大于45°。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。