本文对传统电流解耦方法进行了分析，在此基 础上，提出一种基于扰动观测器的偏差解耦控制
(deviation decoupling control based on disturbance observer，DDC-DOB)方法。将 dq 轴间的电流耦合 和电感参数变化引起的电压误差视为系统扰动，利 用扰动观测器(disturbance observer，DOB)对其进行 在线估算以抵消扰动影响。该方法能够有效克服传 统解耦方法在电感参数变化时动态解耦效果不佳 的问题，既体现了 DDC 的控制性能，又发挥了 DOB 对系统干扰的抑制能力，使系统具有良好的动态性 能和较强的鲁棒性。仿真和实验结果验证了该方法 的可行性和有效性。
关键词：并网逆变器；电流解耦控制；偏差解耦；扰动观测 器；鲁棒性
0 引言
在蓄电池并网回馈放电装置中，广泛使用电压 型并网逆变器，如何有效控制并网逆变器的输出电 流，使其向电网输送符合 IEEE Std. 1547-2003 标准 规定的电能，是急需解决的问题[1]。因此研究并网 逆变器的控制策略具有重要意义和应用价值。
电压型并网逆变器可采用间接电流控制或直 接电流控制[2-3]。间接电流控制结构简单，无需电流 传感器，但其稳定性差，动态响应慢，过渡过程中 存在直流电流偏移和较大的电流过冲。直接电流控 制策略则以其快速的电流响应和鲁棒性得到学术 界的关注，其中以同步旋转坐标系下的电流控制策 略应用最为广泛[4-6]。但由于并网逆变器的电压方程 经 dq 坐标变换后存在电流耦合，其耦合影响将导 致系统的动态性能下降，且在电感参数变化时的动 态过程中表现尤其明显。因此，有必要对 dq 轴电 流进行解耦处理[7-8]。
KEY WORDS: grid-connected inverter; current decoupling control; deviation decoupling; disturbance observer; robustness
摘要：为解决 dq 坐标系下传统解耦方法在电感参数变化时 动态解耦效果不佳的问题，提出一种基于扰动观测器的偏差 解耦控制方法。该方法将电感参数变化和电流耦合引起的电 压误差视为系统扰动，利用扰动观测器对其进行观测，并将 观测值作为补偿信号反馈到输入端以抵消扰动对系统的影 响。借助扰动观测器的频率特性调整被控对象的幅、相频响 应，即便电感参数变化也能使被控对象标称化。该方法不仅 能实现 dq 轴间的电流解耦，还对干扰起抑制作用，在保证 系统对电感参数摄动有较强鲁棒性的同时，提高系统的动态 性能。通过对传统解耦方法与新方法的仿真分析和实验比 较，验证了所提方法的可行性和有效性。
id*
−
+
G(s)
ω Lˆ 解耦补偿
ω Lˆ
iq*
+
G(s)
−
ed
ed
+
−
Vd
1
id
−
++
R + Ls
ωL 耦合项
ωL
+ Vq
−
1
iq
+ eq
+ − eq
R + Ls
图 2 CFDC 原理图 Fig. 2 Schematic diagram of CFDC
当忽略电流采样延迟时，根据图 2 可得：
⎧⎪Gid* − ω(Lˆ − L)iq = id (G + R + Ls) ⎨⎪⎩Giq* + ω(Lˆ − L)id = iq (G + R +id、iq、ed 和 eq 分别为逆变器输出电
idc
VT1
VT3
VT5
VD1
VD3
VD5
ua
ia L R
ea
Udc +
ub
ib
eb
−
uc
ic
ec
VT2
VT4
VT6
VD4
VD2
VD6
图 1 三相电压型并网逆变器拓扑结构 Fig. 1 Three-phase voltage grid-connected inverter
LI Chunpeng1, BEN Hongqi1, LIU Bo1, SUN Shaohua2
(1. School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Heilongjiang Province, China; 2. College of Automation and Electronic Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, Shandong Province, China)
1 传统电流解耦方法
1.1 基本原理 图 1 为三相电压型并网逆变器的拓扑结构。逆
变器通过滤波电感 L、电阻 R 与电网相连。 并网逆变器在 dq 坐标系下的动态方程(电流参
考方向如图 1 所示，且三相电网电压平衡)为
⎧ ⎪⎪ ⎨ ⎪ ⎪⎩
L L
did dt diq
dt
= Vd = Vq
− ed − Rid + ωLiq − eq − Riq − ωLid
由式(3)的耦合传递函数可知，只有 Lˆ = L 时， 该方法才能实现完全解耦。但由于测量误差以及系
第 22 期
李春鹏等：采用扰动观测器的偏差解耦控制方法
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统运行条件的变化，且当电流很大电感接近饱和
时，电感值会发生变化，一旦 Lˆ 与 L 失配，会使解 耦补偿量不能完全抵消实际耦合量，从而影响系统 的解耦效果和动态性能。
ABSTRACT: To solve the problem of non-ideal dynamic decoupling result with traditional method in dq coordinates when inductor parameter changes, a kind of deviation decoupling control method based on disturbance observer is proposed. This method regards inductor parameter change and voltage error caused by current coupling as disturbance of the system, using a disturbance observer to observe, and the observed values are regarded as compensation signal feedback to the input to offset the effect of disturbance on system. Frequency characteristic of disturbance observer is used to adjust the amplitude and phase frequency response of controlled target, even if the system parameters change, it can also make the controlled target normalization. The method not only realizes dq current coupling but also restrains disturbance, when parameters change, system is strongly robust, and has a good dynamic performance. Simulation analysis and experiments are done to compare the traditional decoupling method and the new method, then the results verify the feasibility and effectiveness of the method.
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中国电机工程学报
第 35 卷
电感实际值与估算值之间存在偏差时，解耦补偿量 不能完全抵消实际耦合量，导致解耦不彻底，系统 的动态性能必受影响。文献[13]使用复矢量电流调 节器消除 dq 轴间的电流耦合，有较好的动态性能， 但其抗扰动能力较弱。虽然可通过增加比例增益的 方法提高其抗扰性能，但在动态过程中将引起系统 振荡。文献[14-15]采用逆系统方法实现非线性反馈 线性化解耦，这种方法具有物理概念清晰，易于理 解和分析等特点，但它的实现不仅需要精确的被控 对象数学模型，而且还要求被控对象逆系统的解析 表达式，计算比较复杂。神经网络逆系统解耦方法 对被控对象的电感参数变化和负载扰动具有较强 的鲁棒性，但存在过学习、局部极点小、结构和类 型选择过分依赖经验，实现较复杂[16-17]等缺点。文 献[18-19]采用内模控制器代替传统 PI 控制器，解耦 效果比较理想，对参数摄动具有较强的鲁棒性，但 在系统进入稳态前存在振荡现象。偏差解耦控制 (deviation decoupling control，DDC)[20]是内模解耦方 法的变形，同样也存在上述缺陷。
文 献 [9] 通 过仿 真 和 实 验验 证 了 当 比例 积 分 (proportional integral，PI)控制器增益足够大时，可 以忽略 dq 轴间的电流耦合。但由于数字控制的固有 特性限制了 PI 控制器增益的取值范围，不可能使其 足够大，而且增大控制器增益不利于系统稳定 [10-11] 。 文 献 [12] 采 用 电 流 反 馈 解 耦 控 制 (current feedback decoupling control，CFDC)来实现 dq 轴间 的电流解耦，改善了系统的稳态性能，但从控制方 法上看，这只能算是一种理想的静态解耦控制。当