负载电流前馈控制的新方法：设计简单，适合工程应用
为解决采用传统电压电流双环控制的电压源型逆变器在负载投切时输出电压波动的问题，新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、中国电力科学研究院、国网江苏省电力有限公司的研究人员曹文远、韩民晓、谢文强、李蕊、袁栋，在2020年第4期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于扰动观测器的负载电流前馈控制方法。分析表明，与传统双环控制相比，该文提出的负载电流前馈控制方法对参数摄动的灵敏度更低，系统的鲁棒性更强。
电压源型逆变器（Voltage-Sourced Inverter, VSI）是可再生能源并网和交直流电网互联的重要接口。随着电力系统中可再生能源接入比例的增加和直流配用电技术的发展，当前依靠同步发电机维持电压与频率稳定的电力系统将变得更依赖于逆变器的控制。考虑可靠性的要求，逆变器应具备在孤岛情况下向系统负载提供电源支撑的能力，这对逆变器输出电压的质量提出了更高的要求。
逆变器控制中应用最为广泛的电压电流双环控制，其输出等效为一个带内阻抗的非理想电压源，输出电压随负载电流的变化而波动，逆变器的输出外特性差。为抑制逆变器输出电压的波动，最直接的方法是提高逆变器控制系统的环路增益，但控制性能与系统稳定性相互制约，导致控制效果不尽如人意。
为避免因增大控制增益可能导致的系统失稳问题，使用电流传感器采集负载电流信息进行前馈补偿成为一种简单易行的方法。实际工程中多采用比例前馈补偿的方式，此方法削弱了低频电流对输出电压的影响，但对于中高频谐波电流的抑制效果并不明显。
采用比例微分前馈方式理论上可以在整个频域内抑制负载电流的影响，但前馈环节引入的附加阻抗特性必须完全拟合原有逆变器输出阻抗特性才能消除负载电流对输出电压的影响。使用传感器采集负载电流信息进行前馈补偿的方法不仅增加了传感器、信号传输和处理电路等成本（尤其是在大功率场合），还占用了处理器的ADC接口资源，其准确度也受传感器和信号处理电路精度的影响。
为节约传感器及其对应信号处理电路等资源，结构简单的扰动观测器（Disturbance Observer, DOB）得以提出用于观测负载电流。此外，一些先进的控制算法如提高系统响应速度的无差拍控制（deadbeat control）和抑制周期性干扰的重复控制（repetitive control）等也被用于提高逆变器的性能。
但无差拍控制导致系统对参数和负荷的变化敏感，系统的稳定性有所欠缺。而重复控制由于延迟因子的存在，控制效果有限，需要与其他控制相配合才能充分发挥其优点，特别地，有学者结合DOB的低频扰动抑制能力强与重复控制的抗周期性干扰能力强的优点，设计了基于内模原理的扰动观测器，在提升逆变器动态性能的同时，有效地提高了输出电压的跟踪精度和波形质量，为DOB性能的改进提供了新的研究思路。
为提高系统的动态和稳态性能，且不引入复杂的控制，新能源电力系统国家重点实验室、中国电力科学研究院等单位的研究人员，结合传统双环控制和扰动观测器的特点，在不增加额外投资的情况下，提出一种易于实现、适合工程应用的基于DOB的逆变器负载电流前馈控制策略，并给出具备普适性和可移植性的参数设计方法。
图1 基于TMS320F28335的逆变器实验平台
首先充分利用已采集的输出电压信息，通过电压前馈补偿实现电流内环与电压外环的解耦，简化了传统双环控制的设计和分析。在此基础上，将负载电流设定为系统外部扰动量建立逆变器负载电流扰动观测模型，通过将DOB观测所得负载电流前馈至电压外环补偿器的输出端，提高了输出电压对负载电流的抗扰动能力，增强了逆变器输出外特性。
分析表明，与传统双环控制相比，所提控制策略可以使被控对象标称化，从而对参数摄动具备更强的鲁棒性。仿真与实验结果证明该方法具有以下优点：
1）具备普适性和可移植性，推导所得控制参数的计算公式适用于任意三相桥式逆变器，有助于推动DOB技术在逆变器中的产业化应用。
2）大幅减小逆变器输出电压的跟踪误差，使逆变器在不同带载情况下具备跟踪输出电压为给定指令值的能力。
3）改善逆变器输出电压的暂态性能，有效抑制因负载突变带来的电压波动问题，提升电压波动的恢复速度。
4）增强系统的鲁棒稳定性，在滤波电容参数摄动66.67%时逆变器仍能维持稳定运行。