CN103490420A - 一种基于自抗扰技术的微电网并网控制方法 - Google Patents

一种基于自抗扰技术的微电网并网控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于自抗扰技术的微电网并网控制方法，采用电流电压双环控制，电流内环跟踪电流控制，电压外环采用自抗扰控制，设计步骤简单，自抗扰控制结构具有较强的抗干扰能力，能够保证微电网电压和频率的恒定,维持微电网在孤岛模式下的稳定运行。此控制器方法具有一般性的意义，适用范围广，对复杂非线性被控对象的控制提供了新的思路。

Description

一种基于自抗扰技术的微电网并网控制方法
技术领域
本发明涉及一种微电网控制技术，特别涉及一种基于自抗扰技术的微电网并网控制方法。
背景技术
作为可再生能源与分布式发电的有效利用形式，微电网技术正在成为当前的研究热点。微电网是由微电源、储能装置、电力电子器件、负荷和控制系统组成的整体，即可并网运行又可孤岛运行。
由微电源和储能装置等组成的小容量低压微电网既满足用户对高质量电能的需求，又能在电网发生故障时独立运行为微电网提供电压和频率支撑。同时，微电网系统的容量和惯性相对较小，易受到来自分布式电源和负荷波动的影响，因此存在电能输出间歇性和波动性大、网络潮流复杂、继电保护和稳定控制困难等问题。
微电网中恒压恒频（V/f）控制策略主要是在微电网孤岛运行时，维持微电网电压和频率的稳定，同时能够有效地跟随负荷功率的变化。但是，传统V/f控制策略应用于微电网孤岛模式时，，易受负荷波动的影响而导致电压和频率的偏移，对微电网的稳定运行产生影响。
考虑传统V/f控制策略的局限性，对传统V/f控制策略进行改进，将自抗扰控制技术应用于微电网V/f控制策略中，实现了微电网在孤岛主从模式下的频率和电压幅值的无差调节，以及微电网中功率的平衡控制，维持了微电网的稳定运行。
发明内容
本发明是针对传统微电网恒压恒频(V/f)控制策略中控制参数整定复杂，以及受电网电压、负荷波动影响较大的问题，提出一种基于自抗扰技术的微电网并网控制方法，相对于传统PI控制，自抗扰控制具有较强的抗干扰能力，能够保证微电网电压和频率的恒定,维持微电网在孤岛模式下的稳定运行。
本发明的技术方案为：一种基于自抗扰技术的微电网并网控制方法，具体包括如下步骤：
1）构建基于自抗扰技术的微电网并网控制系统，控制系统包括直流电压源、逆变装置、控制器部分、负荷，控制器部分包括基于自抗扰技术的微电网恒压恒频控制器和空间矢量脉宽调制电路，直流电压源经逆变装置在空间矢量脉宽调制电路SVPWM控制下转换成三相交流电；逆变装置输出通过LC滤波器滤除高次谐波给负载供电；采集负载前端电压信号和LC滤波器中电容电流信号送基于自抗扰技术的微电网恒压恒频控制器，基于自抗扰技术的微电网恒压恒频控制器输出到空间矢量脉宽调制电路；
2）建立基于自抗扰技术的微电网恒压恒频控制器：采用电流电压双环控制，引入自抗扰控制环节，电流内环跟踪电流控制，电压外环采用自抗扰控制，负载前端电压信号与电压给定信号进入自抗扰控制器，自抗扰控制器输出和电压前馈环节共同作用作为电压外环控制输出，电流给定信号、采集的电容电流信号和电压外环控制输出进入电流内环P调节器，P调节器输出经过逆变器传递函数到逆变装置。
所述电压电流双环控制参数整定：
1）电压电流双环控制结构传函表达式为：
Figure 947260DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，
Figure 334379DEST_PATH_IMAGE002
为电压给定信号；为输出电压信号；
Figure 532459DEST_PATH_IMAGE004
表示电流内环比例系数；
Figure 329514DEST_PATH_IMAGE005
表示电压外环PI控制器积分系数；
Figure 938350DEST_PATH_IMAGE006
表示电压外环PI控制器比例系数，S表示复频域变量，无单位；
Figure 111842DEST_PATH_IMAGE007
为SPWM逆变器传递函数；
Figure 60207DEST_PATH_IMAGE008
为中间微分时间常数；
Figure 28163DEST_PATH_IMAGE009
为电容；
Figure 124295DEST_PATH_IMAGE010
为电感；
2）采用极点配置的方法设计控制器的参数，得到参数关系式：
Figure 773582DEST_PATH_IMAGE011
 
其中k为电流内环比例参数，
Figure 638770DEST_PATH_IMAGE012
分别表示比例系数、阻尼比、自然振荡频率；
3）电流内环比例参数k的确定：
电流比例增益传递函数为：
Figure 777627DEST_PATH_IMAGE013
，基于MATLAB/rltool仿真平台，在不同系数
Figure 298738DEST_PATH_IMAGE004
下，绘制电流比例增益传函伯德图，从中选取符合电流内环动态响应特性以及快速性的要求的电流内环比例参数k；
4）取比例系数、期望阻尼比、自然振荡频率
Figure 548454DEST_PATH_IMAGE012
，代入步骤2）中公式，可得
Figure 533727DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 843486DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 851893DEST_PATH_IMAGE005
。
本发明的有益效果在于：本发明基于自抗扰技术的微电网并网控制方法，设计步骤简单，自抗扰控制结构具有较强的抗干扰能力，能够保证微电网电压和频率的恒定,维持微电网在孤岛模式下的稳定运行。此控制器方法具有一般性的意义，适用范围广，对复杂非线性被控对象的控制提供了新的思路。
附图说明
图1为二阶线性自抗扰控制结构图；
图2为基于自抗扰技术的双环控制结构图；
图3为本发明基于自抗扰技术的微电网并网控制系统结构图；
图4为本发明微电网控制系统仿真模型图；
图5为本发明含中间微分反馈的双环控制结构图；
图6为电流比例增益传递函数伯德图；
图7为本发明孤岛模式DG有功功率输出曲线图；
图8为本发明孤岛模式DG无功功率输出曲线图；
图9为本发明微电网频率控制响应曲线图；
图10为本发明微电网电压幅值响应曲线图。
具体实施方式
本发明运用自抗扰控制技术对微电网并网控制器进行设计，实现了微电网在孤岛主从模式下的频率和电压幅值的无差调节，以及微电网中功率的平衡控制，维持了微电网的稳定运行。
    本发明的技术方案如下：
（1）构建二阶线性自抗扰控制器:
针对自抗扰控制器参数整定的复杂性，提出一种线性化的自抗扰控制器。设一类不确定对象为
Figure 905300DEST_PATH_IMAGE014
，其中，
Figure 745080DEST_PATH_IMAGE015
为输入，
Figure 163423DEST_PATH_IMAGE016
为输出，
Figure 455864DEST_PATH_IMAGE017
为常系数，
Figure 312962DEST_PATH_IMAGE018
为外部扰动。
将外部扰动加入系统动态模型中，可改为:
Figure 939072DEST_PATH_IMAGE019
构造状态空间模型：
Figure 590633DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 635949DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 968842DEST_PATH_IMAGE022
， ，
Figure 605677DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 872710DEST_PATH_IMAGE025
，X为状态变量；f为扰动变量。
则系统的线性扩张状态观测器LESO可表示为：
Figure 9293DEST_PATH_IMAGE026
其中，表示观测器的增益向量；
Figure 671536DEST_PATH_IMAGE028
表示观测器的状态向量，b 0表示输入信号的系数矩阵。
二阶线性自抗扰控制器结构，如图1二阶线性自抗扰控制结构图。其中，
Figure 363548DEST_PATH_IMAGE029
；
Figure 100560DEST_PATH_IMAGE030
；
Figure 623945DEST_PATH_IMAGE031
；
Figure 991473DEST_PATH_IMAGE032
是观测器的带宽，
Figure 967519DEST_PATH_IMAGE033
是控制器的带宽，是控制量。二阶线性自抗扰控制器的设计需要调节
Figure 151693DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 424542DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 153464DEST_PATH_IMAGE036
三个参数，大大简化了控制器的参数整定过程。
（2）基于自抗扰技术的微电网恒压恒频控制器:
V/f控制策略的目的是控制微电源的输出电压幅值和频率，为微电网系统提供电压和频率参考，同时也能很好响应负荷功率的变化。V/f控制策略常采用电压电流双环控制方案。电压外环保证输出电压的稳定；电流内环能够及时跟踪电流信号，加快逆变器的动态响应过程，保证电能质量的要求。由于电容电流对负荷扰动具有较好的抑制作用，故采用电容电流内环电压外环控制。
电流电压双环控制中电压外环采用自抗扰控制技术；电流内环采用电容电流瞬时值比例控制，同时加入电压前馈环节，以抑制逆变器输出电压对微电网的影响。如图2基于自抗扰技术的双环控制结构图。其中，
Figure 232278DEST_PATH_IMAGE037
为电压给定信号；
Figure 667939DEST_PATH_IMAGE038
为输出电压信号；
Figure 174006DEST_PATH_IMAGE039
为电流给定信号；
Figure 390224DEST_PATH_IMAGE040
为电感电流信号；
Figure 210413DEST_PATH_IMAGE041
为电容电流信号；与
Figure 505445DEST_PATH_IMAGE043
比较经电流P调节器后形成控制量
Figure 881062DEST_PATH_IMAGE044
；
Figure 301679DEST_PATH_IMAGE045
为SPWM逆变器传递函数；为中间微分时间常数。
Figure 622119DEST_PATH_IMAGE046
为逆变器输出电压信号；为电容；
Figure 709341DEST_PATH_IMAGE010
为电感；
Figure 36417DEST_PATH_IMAGE047
为电流扰动信号，CS是电压前馈环节；S是复频域变量；TD是中间微分时间常数；LESO是扩张状态观测器。
通过自抗扰技术的控制，在较短的时间内，逆变器输出电流能很快稳定。与传统PI控制比较，自抗扰控制下的逆变器输出电流能够平稳实现并网目的。当系统存在来自外部或内部扰动时，可能会引起并网冲击电流。自抗扰控制技术较强的抗干扰能力，可为系统的安全运行提供保障。
（3）基于自抗扰技术的微电网并网控制系统结构设计：
构建基于自抗扰技术的微电网并网控制系统。控制系统包括直流电压源、逆变装置、控制器部分、负荷等，如图3基于自抗扰技术的微电网并网控制系统结构图。其中包括，
Figure 258451DEST_PATH_IMAGE048
表示直流电压源，经空间矢量脉宽调制SVPWM转换成三相交流电；采用
Figure 670978DEST_PATH_IMAGE049
滤波器滤除高次谐波，
Figure 433398DEST_PATH_IMAGE050
为滤波电感；为滤波电容；
Figure 7915DEST_PATH_IMAGE052
为滤波电阻；
Figure 907738DEST_PATH_IMAGE053
为线路阻抗；
Figure 473849DEST_PATH_IMAGE054
为负载；
Figure 447621DEST_PATH_IMAGE055
、
Figure 73774DEST_PATH_IMAGE056
分别为逆变器输出电压和滤波电感上的电流；为滤波电容电压；
Figure 502799DEST_PATH_IMAGE058
为滤波电容电流；
Figure 658974DEST_PATH_IMAGE059
为负载和网电流之和；
Figure 456028DEST_PATH_IMAGE060
为负载电压；
Figure 2547DEST_PATH_IMAGE061
、
Figure 176040DEST_PATH_IMAGE062
分别为开关点两侧的电压；下标为a、b、c三相。
Figure 92360DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 188492DEST_PATH_IMAGE065
分别为计算得到的电压参考信号，即逆变器输出电压；
Figure 634517DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure 765284DEST_PATH_IMAGE067
分别为电流环的参考输入信号，即线路电容电流信号。
Figure 835965DEST_PATH_IMAGE068
为作为控制量的可控正弦调制信号。
（4）微电网控制系统的仿真模型构建：
构建微电网控制系统仿真模型，仿真模型由分布式电源DG1和DG2并联组成微电网模型，经滤波装置，并通过升压变压器与配电网相连。DG1采用基于自抗扰技术的恒压恒频控制策略；DG2采用传统恒功率控制策略。如图4微电网控制系统仿真模型图。
（5）微电网分布式电源控制器的参数整定：
基于主从控制模式，首先确定典型V/f控制器控制参数计算方法；然后，加入中间微分反馈控制环节，确定中间微分参数，并在其基础上对典型V/f控制器进行改进，引入自抗扰控制环节，最后恒功率控制策略采用经典算法，确定控制参数。
如图5含中间微分反馈的双环控制结构图，其中，
Figure 419393DEST_PATH_IMAGE002
为电压给定信号；
Figure 669109DEST_PATH_IMAGE003
为输出电压信号；
Figure 592066DEST_PATH_IMAGE039
为电流给定信号；
Figure 901824DEST_PATH_IMAGE040
为电感电流信号；
Figure 972548DEST_PATH_IMAGE069
为电容电流信号；
Figure 963638DEST_PATH_IMAGE070
与
Figure 803418DEST_PATH_IMAGE071
比较经电流P调节器后形成控制量
Figure 284078DEST_PATH_IMAGE068
；
Figure 576519DEST_PATH_IMAGE007
为SPWM逆变器传递函数；为中间微分时间常数；
Figure 65586DEST_PATH_IMAGE046
为逆变器输出电压信号；
Figure 717147DEST_PATH_IMAGE009
为电容；
Figure 700147DEST_PATH_IMAGE010
为电感；
Figure 95356DEST_PATH_IMAGE072
为电流扰动信号。
则电压电流双环控制结构传函表达式为：
Figure 644149DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，
Figure 669874DEST_PATH_IMAGE004
表示电流内环比例系数；
Figure 936907DEST_PATH_IMAGE073
表示电压外环PI控制器积分系数；
Figure 870228DEST_PATH_IMAGE074
表示电压外环PI控制器比例系数，S表示复频域变量，无单位。
采用极点配置的方法设计控制器的参数，控制系统的闭环特征方程式为：
Figure 539107DEST_PATH_IMAGE075
 （2）
设三阶系统闭环期望极点为：
Figure 735733DEST_PATH_IMAGE076
三阶系统的闭环期望特征方程为：
Figure 224483DEST_PATH_IMAGE077
（3）
对比式（2）和（3），得：
Figure 227074DEST_PATH_IMAGE011
 （4）
式（4）中存在4个未知数
Figure 688143DEST_PATH_IMAGE078
，首先确定电流内环比例参数
Figure 852408DEST_PATH_IMAGE079
，
Figure 94033DEST_PATH_IMAGE012
分别表示比例系数、阻尼比、自然振荡频率。
根据图5，电流比例增益传递函数为：
Figure 572419DEST_PATH_IMAGE013
电流内环比例控制的作用主要是为了提升内环响应的快速性。基于MATLAB/rltool仿真平台，确定电流内环比例参数，不同系数下，如图6电流比例增益传函伯德图。
伯德图中频段特性反映的是闭环系统的动态特性，中频段的斜率与宽度反映的是系统动态响应的平稳度。当=0.034218时，电流内环阶跃响应曲线最合理，符合电流内环动态响应特性以及快速性的要求,故=0.034218。取期望阻尼比；自然振荡频率
Figure 296476DEST_PATH_IMAGE081
；
Figure 794453DEST_PATH_IMAGE082
；
Figure 300521DEST_PATH_IMAGE083
；；代入公式（3）（这里应该是代入（4）吧），得：
自抗扰控制参数取经验值，分别为
Figure 179429DEST_PATH_IMAGE087
，则自抗扰控制结构中各参数如下：
Figure 617364DEST_PATH_IMAGE088
恒功率控制策略中电流环PI控制器参数整定方法与V/f控制策略类似，直流电压源、滤波器等参数与V/f控制策略一致。给出参数整定结果，PI控制参数为
Figure 303560DEST_PATH_IMAGE089
。
（6）微电网控制系统的仿真分析：
基于MATLAB/simulink仿真平台，对所提出的微电网控制策略进行动态仿真。如图4微电网控制系统仿真模型图。分布式电源DG1和DG2并联组成微电网模型，经滤波装置，并通过升压变压器与配电网相连。DG1采用V/f控制策略；DG2采用PQ控制策略。
仿真参数如下：交流侧母线电压等级为0.4kV,通过升压变压器接入电压等级为10kV的配电网；微网频率为50Hz；参考线电压取为380V；理想直流电压源
Figure 510550DEST_PATH_IMAGE090
；LC滤波器中电感，电感
Figure 486914DEST_PATH_IMAGE092
；电阻
Figure 604166DEST_PATH_IMAGE093
；线路
Figure 931242DEST_PATH_IMAGE094
； 微电网与大电网解列，处于孤岛运行状态，微电网中DG1采用基于自抗扰技术的V/f控制策略，DG1额定输出功率为
Figure 215593DEST_PATH_IMAGE095
；DG2采用PQ控制策略，维持自身输出功率的恒定, DG2额定输出功率
Figure 362541DEST_PATH_IMAGE096
。初始状态下
Figure 390539DEST_PATH_IMAGE097
；
Figure 572122DEST_PATH_IMAGE098
。
微电网控制系统仿真分析，当t=0.5s,微网切除可中断负荷;当t=1s,微网切除可中断负荷
Figure 864880DEST_PATH_IMAGE100
；当t=1.5s,投入可中断负荷
Figure 430991DEST_PATH_IMAGE101
；当t=2s,投入可中断负荷
Figure 404763DEST_PATH_IMAGE102
。孤岛模式下DG1和DG2输出有功和无功功率曲线，如图7孤岛模式DG输出有功功率曲线图，其中，
Figure 30916DEST_PATH_IMAGE103
表示分布式电源DG1输出的有功功率；
Figure 90139DEST_PATH_IMAGE104
表示分布式电源DG2输出的无功功率。如图8孤岛模式DG输出无功功率曲线图，其中，
Figure 459941DEST_PATH_IMAGE105
表示分布式电源DG1输出的无功功率；表示分布式电源DG2输出的无功功率。
微网孤岛主从控制仿真中，DG1为主微源，维持微网频率和电压幅值的稳定输出。DG2为从微源，采用PQ控制策略，维持自身输出功率的恒定。
 当
Figure 350853DEST_PATH_IMAGE107
时，微电网系统切除可中断负荷；当
Figure 959689DEST_PATH_IMAGE108
时，微电网系统投入可中断负荷，由于DG1为微网系统的主微源，所以主要承担微电网输出功率的调节，维持微网的功率平衡，满足微网负荷的变化需求；DG2主要维持功率输出的恒定，同时，DG2的有功功率输出，在负荷发生变化时也略有变化，说明DG2在一定程度上参与了微电网有功功率的调节。
在仿真模型的基础上，分别采用基于自抗扰技术和传统PI控制的微电网V/f控制策略。在负荷波动的情况下，比较微电网频率响应结果，如图9微电网频率控制响应曲线图。
在V/f控制策略中加入自抗扰技术，相对于传统PI控制，其优势体现在较好的抗干扰能力。当负荷发生变化时，自抗扰控制结构中，微网频率的稳态值为50Hz,无静差；暂态过程较短，且频率波动均维持在
Figure 805285DEST_PATH_IMAGE109
Hz范围内。
在仿真模型的基础上，分别采用基于自抗扰技术和传统PI控制的微电网V/f控制策略。在负荷波动的情况下，比较微电网电压幅值响应结果。如图10微电网电压幅值响应曲线图。
当，可中断负荷切除，PI控制结构下的微电网电压幅值上升；当
Figure 721606DEST_PATH_IMAGE111
，投入可中断负荷，微电网电压幅值下降。自抗扰控制结构下的微电网电压幅值基本不发生偏移，具有理想的动态控制特性。
本发明所提出的一种基于自抗扰技术的微电网并网控制方法，理论清晰，设计步骤简单，适应范围广，对于复杂被控对象具有较好的控制效果。将自抗扰控制技术应用于微电网恒压恒频控制策略中，实现了微电网在孤岛主从模式下的频率和电压幅值的无差调节，以及微电网中功率的平衡控制，维持了微电网的稳定运行。且此控制方法具有一般性的意义，适用范围广，为复杂非线性被控对象的控制提供了新的思路。

Claims (2)

1.一种基于自抗扰技术的微电网并网控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）构建基于自抗扰技术的微电网并网控制系统，控制系统包括直流电压源、逆变装置、控制器部分、负荷，控制器部分包括基于自抗扰技术的微电网恒压恒频控制器和空间矢量脉宽调制电路，直流电压源经逆变装置在空间矢量脉宽调制电路SVPWM控制下转换成三相交流电；逆变装置输出通过LC滤波器滤除高次谐波给负载供电；采集负载前端电压信号和LC滤波器中电容电流信号送基于自抗扰技术的微电网恒压恒频控制器，基于自抗扰技术的微电网恒压恒频控制器输出到空间矢量脉宽调制电路；
2）建立基于自抗扰技术的微电网恒压恒频控制器：采用电流电压双环控制，引入自抗扰控制环节，电流内环跟踪电流控制，电压外环采用自抗扰控制，负载前端电压信号与电压给定信号进入自抗扰控制器，自抗扰控制器输出和电压前馈环节共同作用作为电压外环控制输出，电流给定信号、采集的电容电流信号和电压外环控制输出进入电流内环P调节器，P调节器输出经过逆变器传递函数到逆变装置。
2.根据权利要求1所述基于自抗扰技术的微电网并网控制方法，其特征在于，所述电压电流双环控制参数整定：
1）电压电流双环控制结构传函表达式为：
，
其中，
Figure 369590DEST_PATH_IMAGE004
为电压给定信号；
Figure 201310476810X100001DEST_PATH_IMAGE005
为输出电压信号；
Figure 201310476810X100001DEST_PATH_IMAGE007
表示电流内环比例系数；表示电压外环PI控制器积分系数；
Figure 930332DEST_PATH_IMAGE010
表示电压外环PI控制器比例系数，S表示复频域变量，无单位；
Figure 201310476810X100001DEST_PATH_IMAGE011
为SPWM逆变器传递函数；
Figure 667344DEST_PATH_IMAGE012
为中间微分时间常数；
Figure 201310476810X100001DEST_PATH_IMAGE013
为电容；
Figure 253046DEST_PATH_IMAGE014
为电感；
2）采用极点配置的方法设计控制器的参数，得到参数关系式：
Figure 201310476810X100001DEST_PATH_IMAGE015
 
其中k为电流内环比例参数，
Figure 682890DEST_PATH_IMAGE016
分别表示比例系数、阻尼比、自然振荡频率；
3）电流内环比例参数k的确定：
电流比例增益传递函数为：
Figure 201310476810X100001DEST_PATH_IMAGE017
，基于MATLAB/rltool仿真平台，在不同系数下，绘制电流比例增益传函伯德图，从中选取符合电流内环动态响应特性以及快速性的要求的电流内环比例参数k；
4）取比例系数、期望阻尼比、自然振荡频率
Figure 75006DEST_PATH_IMAGE016
，代入步骤2）中公式，可得、
Figure 201310476810X100001DEST_PATH_IMAGE019
、。
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