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研究背景

高性能逆变器是电力电子领域的一个研究热点，稳态精度高、瞬态响应快、抗干扰能力强成为衡量逆变器性能的重要指标。然而由于开关器件的导通压降、死区时间、非线性负载等非理想特性的存在，逆变器的输出波形质量会恶化甚至导致系统的不稳定，主要体现在较高的总谐波失真（THD）和较大的跟踪误差上。

传统的自抗扰控制（CADRC）主要针对阶跃信号进行快速和无静差跟踪，而逆变器的输出为周期性信号，导致CADRC的逆变器存在较大跟踪误差，使得自抗扰控制(ADRC)在逆变器上的应用受限。本文将逆变器的已知模型加入到控制器中，系统未建模动态及外部扰动视为总扰动并加以抑制。常规的模型补偿ADRC（MC-ADRC）虽然能实现较好的波形质量，但是存在较大的稳态误差，本文理论分析了稳态误差存在的原因，提出微分前馈的ADRC策略以减小逆变器的稳态误差。本文对CADRC进行改进，对比了三种控制算法，其核心内容如图1所示。

图1本文核心内容示意图

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主要技术路线

2.1逆变器建模

本文是在单相全桥独立逆变器上进行的研究，其拓扑如图2所示，虚线框内为整流性负载。

图2单相全桥独立逆变器拓扑

2.2MC-ADRC的逆变器

ADRC的标准型为积分器串联型。如果被控对象的部分信息已知，可将这些已知信息加入到控制器中。加入逆变器已知信息后，观测对象不确定范围缩小，扩张状态观测器（ESO）适应的参数范围扩大，在不降低观测器带宽情况下可以提高扰动的估计精度，从而提高控制效果。基于MC-ADRC的逆变器控制系统如图3所示。

图3基于MC-ADRC的逆变器控制系统框图

2.2DF-ADRC的逆变器

MC-ADRC能最大限度地利用模型已知信息，将这些已知信息加入到LESO中，以降低线性扩张状态观测器（LESO）的负担，或在不降低LESO带宽的情况下提高扰动的估计精度，从而提高控制效果。但是，基于MC-ADRC的逆变器依然存在固有的稳态误差。本文提出了基于DF-ADRCF控制器，采用参考给定值微分前馈的方法消除稳态误差。基于DF-ADRC的逆变器控制系统如图4所示。

图4基于DF-ADRC逆变器控制系统框图

为分析各次微分项的作用，分别画出未加入微分前馈补偿和加入各次补偿项后的从参考信号v到跟踪误差e的传递函数的幅频响应，如图5所示。

图5加入各次微分补偿项后e/v的幅频响应

逆变器的参考设定信号v为50Hz的正弦波，由图5可以看出，一次微分项和二次微分项在50Hz处的对数幅频的幅值较小，尤其参考信号的一次微分项的加入，对跟踪误差e的衰减作用更为明显。

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仿真分析

为对比CADRC、MC-ADRC、DF-ADRC的控制性能，进行了仿真研究。图6给出逆变器在整流性负载情况下的三种控制算法的仿真波形图。未加入模型补偿的CADRC的逆变器输出波形畸变，模型的未知扰动信息足以覆盖控制信号。加入模型补偿后，逆变器系统的未知扰动项缩小，可获得满意的波形质量，但是逆变器系统的稳态误差较大。加入微分前馈后，基于DF-ADRC的逆变器可以达到更好的控制精度，系统稳态误差更小，从而获得满意的稳态性能。

图6整流性负载下逆变器的仿真结果

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实验验证

为验证仿真结果，本文在1kW单相独立逆变器实验平台上进行了实验分析。

4.1不同负载下的稳态性能

表1给出各控制器下的独立逆变器稳态性能实验结果。由实验结果分析可知，实验结果基本与仿真一致，MC-ADRC和DF-ADRC下的逆变器基本都能达到很好的波形质量，但基于MC-ADRC的逆变器存在较大的跟踪误差，加入微分前馈后的DF-ADRC提高了逆变器对参考信号的跟踪能力，减小了逆变器的稳态误差，能实现更好的控制效果。

表1各控制器下的稳态性能实验结果

4.2动态性能与系统鲁棒性验证

为验证逆变器的动态响应，本文还进行了负载切换实验，图7给出了逆变器负载切换实验结果，可以看出，逆变器能够快速恢复到稳态，具有较高的鲁棒性。同时，基于DF-ADRC的逆变器具有更小的稳态误差。

图7各控制器下的负载切换实验

为分析DF-ADRC的逆变器系统的鲁棒性，图8给出逆变器参数摄动的实验结果。当逆变器参数摄动时，系统仍然保持稳定，获得较为满意的稳态性能，系统具有较好的鲁棒性。

图8参数摄动下的实验结果

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结语

针对CADRC的逆变器存在稳态误差，本文提出一种基于微分前馈的自抗扰控制器，将参考信号的微分信息通过前馈补偿的方式减小逆变器系统的稳态误差。通过频域分析法对ESO性能进行分析，通过内模控制器等效法对DF-ADRC的逆变器进行稳定性分析。实验结果表明，与CADRC相比，基于DF-ADRC的逆变器减小了稳态误差，提高了系统的稳态性能，具有较好的鲁棒性和抗干扰能力。

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进一步研究方向

本文仅给出控制器参数配置方法，并未给出控制器参数边界值，下一步工作将进一步研究控制器参数变化对系统性能的影响。

原文发表在《电力系统自动化》年第43卷第5期，欢迎品读！

引文信息

曹永锋,武玉衡,叶永强,等.基于微分前馈自抗扰的逆变器控制策略[J].电力系统自动化,,43(5):-.DOI:10./AEPS.

CAOYongfeng,WUYuheng,YEYongqiang,etal.ActiveDisturbanceRejectionControlStrategywithDifferentialFeedforwardforInverters[J].AutomationofElectricPowerSystems,,43(5):-.DOI:10./AEPS.

《电力系统自动化》年第5期目次

华北电力大学孙毅，刘迪等：电力市场环境下如何利用深度强化学习实现精准需求响应

主要作者及团队简介

曹永锋，南京航空航天大学硕士研究生。主要研究方向为逆变器系统的主动抗扰控制。

武玉衡，美国阿肯色大学博士研究生。主要研究方向包括电力电子系统不确定性分析及控制。

叶永强，南京航空航天大学教授、博士生导师。江苏省青蓝工程中青年学术带头人，第十三批“六大人才高峰”高层次人才，IEEE高级会员（电力电子分会，控制系统分会），中国自动化学会第1届数据驱动控制、学习与优化专业委员会委员。主要研究方向为电力电子控制与电机控制。

南京航空航天大学自动化学院先进控制技术实验室主要从事干扰估计与抑制控制技术及其逆变器及电机应用、电机驱动与控制。已培养博士7名，硕士28名。完成国家自然科学基金面上项目2项，江苏省自然科学基金面上项目1项，教育部博士点基金项目1项。发表论文38篇，其中，SCI25篇（IEEETransactionsonIndustrialElectronics/IEEETransactionsonPowerElectronics8篇）、Ei13篇（电力系统自动化4篇，中国电机工程学报/电工技术学报3篇），获授权发明专利4项。现有博士研究生3名，硕士研究生8名。

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