CN111555318A - 基于改进ladrc的超级电容储能并网系统的控制方法 - Google Patents

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CN111555318A CN202010473595.8A CN202010473595A CN111555318A CN 111555318 A CN111555318 A CN 111555318A CN 202010473595 A CN202010473595 A CN 202010473595A CN 111555318 A CN111555318 A CN 111555318A
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Abstract

本发明公开一种基于改进LADRC的超级电容储能并网系统的控制方法，包括如下步骤：搭建储能并网系统，包括储能并网逆变器、储能并网逆变器控制系统，构建储能并网逆变器的数学模型；基于储能并网逆变器的数学模型，计算电网电压跌落时储能并网逆变器的直流侧母线电容存储的能量；基于线性扩张状态观测器LESO的观测增益系数，进行改进自抗扰控制器LADRC的设计；基于直流侧母线电容存储的能量以及改进自抗扰控制器LADRC，进行自抗扰控制器LADRC与储能并网逆变器的结合设计。本发明能够较好地抑制电网故障所引发的直流侧母线电压不稳定性能，增强控制系统的抗扰性能；同时，提高了系统的响应速度，增强了对系统的控制精度。

Description

基于改进LADRC的超级电容储能并网系统的控制方法
技术领域
本发明涉及储能系统的并网控制技术领域，特别是涉及一种基于改进LADRC的超级电容储能并网系统的控制方法。
背景技术
能源是人类社会生存和发展的物质基础，而怎样合理开发和利用可再生能源是人类社会进步程度的体现，同时也为解决全世界能源危机开辟了一条新的途径。电能作为一种便利的能源形式，是国民经济的命脉。现阶段，随着风力发电系统、光伏发电系统的不断入网，储能系统进行并网也正成为当前研究的热点。在储能系统中，并网逆变器的设计是整个系统控制的核心，逆变器也是实现DC-AC转换的电力电子变换器，是连接系统和电网的核心器件。
传统的储能逆变系统一般采用PI(Proportional integral，比例-积分)调节器的电压电流双环控制，其具有控制结构简单、易于实现的优点，但对多变量、强耦合、强非线性、系统参数摄动的场合，传统的PI双闭环控制也难以取得理想的控制效果。中国科学院韩京清研究员在非线性PID控制器的基础上提出了自抗扰控制的概念，据此设计的自抗扰控制器不依赖于被控对象精确的数学模型就可以完成控制作用，大大简化了控制系统的设计,然而，传统非线性ADRC(Active Disturbance Rejection Control，自抗扰控制)包含的参数过多，整定起来比较繁琐，其整定过程的不确定因素也比较多，造成实际应用难度较大。为了减少参数整定的数量，高志强教授简化了非线性自抗扰控制器的结构，提出了一种线性自抗扰控制方法，采用极点配置方法将自抗扰控制器的参数简化为控制器带宽和观测器带宽，在频域内研究自抗扰控制器的抗干扰性和稳定性。然而，已有的研究表明，LESO(linear extended state observer，线性扩张状态观测器)的性能同其反馈增益关系密切，为了有效的抑制扰动，LESO的增益通常都较大，现有的LESO可以处理常见的系统参数未知、未建模动态、未知负载扰动等不确定性问题，但通常都没有考虑在系统的输出量测环节所存在的噪声干扰，而这在实际的控制问题中却是普遍存在的，LESO中较大的增益系数会放大量测噪声，尤其是在高频噪声干扰下，对观测器的性能产生较大影响，从而会严重影响LADRC(Linear Active Disturbance Rejection Control，线性自抗扰控制)的性能。
因此，目前亟需一种能够有效增强控制系统的抗扰性能的储能并网系统控制方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于改进LADRC的超级电容储能并网系统的控制方法，以解决现有技术存在的问题，能够有效增强控制系统的抗扰性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于改进LADRC的超级电容储能并网系统的控制方法，包括如下步骤：
搭建储能并网系统，所述储能并网系统包括储能并网逆变器、储能并网逆变器控制系统，构建储能并网逆变器的数学模型；
基于储能并网逆变器的数学模型，计算电网电压跌落时，储能并网逆变器的直流侧母线电容存储的能量；
基于线性扩张状态观测器LESO的观测增益系数，进行改进自抗扰控制器LADRC的设计；
基于直流侧母线电容存储的能量以及改进自抗扰控制器LADRC，进行自抗扰控制器LADRC与储能并网逆变器的结合设计。
优选地，所述储能并网逆变器控制系统包括空间矢量脉宽调制SVPWM硬件层和控制层，所述SVPWM硬件层与所述储能并网逆变器的直流侧母线电压负极相连，所述控制层与所述SVPWM硬件层相连，所述储能并网逆变器与并网侧相连，所述直流侧母线与系统侧相连。
优选地，所述储能并网逆变器数学模型的构建方法包括：
构建储能并网逆变器在dq旋转坐标系下的数学模型，具体如式1所示：
Figure BDA0002515097810000031
其中，R、L、C分别表示滤波电感内阻、滤波电感以及滤波电容，udc、idc分别表示直流侧母线电压、电流，egd、egq分别为电网电压在dq轴上的分量，ugd、ugq分别为储能并网逆变器输出的电压在dq轴上的分量，igd、igq分别为电网电流在dq轴上的分量，w为系统的基波频率，Sgk为系统开关函数在dq轴上的分量；
对式1进行简化，结果如式2所示：
Figure BDA0002515097810000041
优选地，电网电压跌落时，储能并网逆变器的直流侧母线电容存储的能量如式7所示：
Figure BDA0002515097810000042
其中，Ps表示系统侧输出的有功功率，Pg表示并网侧储能并网逆变器输入功率，ΔP表示Pg与Ps之差，ΔT表示能量存储的时间。
优选地，基于线性扩张状态观测器LESO的观测增益系数，进行改进自抗扰控制器LADRC设计的具体方法包括：
设计基于比例微分的改进型LESO，如式18所示：
β3(s)＝βa(1+βbs) 18
其中，β3(s)表示三阶LESO的增益系数，βa、βb表示比例微分系数；s表示传递函数中的虚变量；
LESO的扰动观测传递函数φ(s)如式19所示：
Figure BDA0002515097810000043
其中，LESO的扰动观测传递函数φ(s)为三阶系统，β1、β2表示三阶LESO的增益系数。
优选地，储能并网逆变器的控制为双闭环控制策略，外环为自抗扰控制策略，用于控制直流母线电压，内环为PI控制策略，用于控制电流。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明硬件装置设计简单、易于实现；
(2)本发明提出了基于改进线性自抗扰控制理论的储能并网逆变器直流母线电压控制方法，通过线性自抗扰控制器对d、q轴进行解耦，能够较好地抑制电网故障所引发的直流侧母线电压不稳定性能，增强控制系统的抗扰性能；
(3)本发明利用改进型线性扩张状态观测器，提高系统的响应速度，增强对系统的控制精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明储能并网系统的具体结构示意图；
图2为本发明系统侧与并网侧有功功率流向示意图；
图3为传统二阶线性自抗扰控制器LADRC结构示意图；
图4为本发明改进线性自抗扰控制器LADRC结构示意图；
图5为本发明储能并网逆变器的控制框图；
图6为本发明实施例并网侧低电压对称穿越30％的直流母线电压波形图；
图7为本发明实施例并网侧低电压对称穿越60％的直流母线电压波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-7所示，本实施例提供一种基于改进LADRC的超级电容储能并网系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤S1、搭建储能并网系统，所述储能并网系统包括储能并网逆变器、储能并网逆变器控制系统，构建储能并网逆变器的数学模型；
所述储能并网逆变器控制系统包括SVPWM(Space Vector Pulse WidthModulation，空间矢量脉宽调制)硬件层和控制层，所述SVPWM硬件层与所述储能并网逆变器的直流侧母线电压负极相连，所述控制层与所述SVPWM硬件层相连，所述储能并网逆变器与并网侧相连，所述直流侧母线与系统侧相连。
所述储能并网系统的具体结构如图1所示，其中，所述储能并网逆变器为现有技术，具体结构此处不再赘述，udc、idc分别为直流侧母线电压、电流，R、L、C为滤波电感内阻、滤波电感以及滤波电容；ega、egb、egc分别为待并网的电网电压；iga、igb、igc分别为待并网的电网电流；Usabc、Isabc分别为储能并网逆变器侧的三相电压、电流。
根据所述储能并网系统的具体结构，构建储能并网逆变器在dq旋转坐标系下的数学模型，具体如式(1)所示：
Figure BDA0002515097810000071
其中，egd、egq分别为电网电压在dq轴上的分量，ugd、ugq分别为储能并网逆变器输出的电压在dq轴上的分量，igd、igq分别为电网电流在dq轴上的分量，w为系统的基波频率，Sgk为系统开关函数在dq轴上的分量。
对式(1)进行简化，结果如式(2)所示：
Figure BDA0002515097810000072
根据式(2)可知，在旋转坐标系dq下，储能并网逆变器是一个多变量、强耦合的复杂系统，故在通常情况下，采用传统的控制方式进行直流侧母线电压的控制无法满足实际的要求。
步骤S2、基于储能并网逆变器的数学模型，计算电网电压跌落时，储能并网逆变器的直流侧母线电容存储的能量。
如图2所示，系统侧输出的有功功率Ps经DC/DC变换器后输入直流母线，不计系统侧DC/DC变换器的损耗，系统侧输出的有功功率Ps等于并网侧储能并网逆变器输入功率Pg，如式(3)所示：
Ps＝udcis (3)
其中，udc为直流侧母线电压，is为系统侧DC/DC变换器的输出电流。
流过直流侧母线的电流idc如式(4)所示：
Figure BDA0002515097810000081
其中，ig为并网侧储能并网逆变器输入电流。
不计并网侧储能并网逆变器和电抗器的损耗，则并网侧储能并网逆变器输入功率Pg如式(5)所示：
Pg＝ugdid+ugqiq＝udcig (5)
其中，ugd、ugq分别为储能并网逆变器输出的电压在dq轴上的分量，id、iq分别表示dq轴上的实际电流值；
在电网电压稳定的情况下，并网侧储能并网逆变器两侧的功率保持平衡，由式(3)、(4)、(5)可得：
Figure BDA0002515097810000082
其中，ΔP表示并网侧储能并网逆变器输入功率Pg与系统侧输出的有功功率Ps之差。
由电路理论定律可知，直流侧母线电容C存储的能量如式(7)所示：
Figure BDA0002515097810000083
其中，ΔT表示能量存储的时间。
由式(7)可知，当电网电压不受干扰时，直流侧母线电压udc保持不变，ΔP值为零；当电网电压跌落时，其id、iq保持不变，并网侧储能并网逆变器输入功率Pg必然减小，假设在电网电压跌落期间，系统侧能量供应固定不变，相当于系统侧输出的有功功率Ps不变，则ΔP大于零，造成储能并网逆变器两端功率不平衡，从而严重影响系统对直流母线电压的控制性能，故进行性能优良的控制器设计，保证直流侧母线电压的稳定对整个系统的安全并网至关重要。
步骤S3、基于线性扩张状态观测器LESO的观测增益系数，进行改进自抗扰控制器LADRC的设计。
传统二阶LADRC由三阶LESO、LTD(Linear Tracking Differentiator，线性跟踪微分器)以及LSFT(Linear State Error Feedback，线性误差反馈控制率)组成，对TD(Tracking Differentiator，跟踪微分器)不进行应用，具体结构如图3所示；
其中，v为系统的参考输入，y为系统的参考输出，b0为控制增益，u为控制量，z1，z2，z3为三阶LESO的三个状态变量。
加入扩张状态，LADRC的状态空间形式如式(8)所示：
Figure BDA0002515097810000091
其中，b0＝3/(2LC)，x1，x2为直流侧母线电压及其微分，x3为LESO中扩张出来的状态变量，即表示系统的总和扰动，表示为f，h表示f的微分，总和扰动的模型如式(9)所示：
Figure BDA0002515097810000101
根据式(8)建立三阶LESO，如式(10)所示：
Figure BDA0002515097810000102
其中，β1、β2、β3为LESO的系数。
设定系统的控制律如式(11)所示：
Figure BDA0002515097810000103
设PD(Proportional Differentiator，比例微分)控制律如式(12)所示：
u0＝kp(v-z1)-kdz2 (12)
其中，kp和kd分别表示比例和微分控制增益，选取合适的比例微分增益系数能够保证系统的稳定。
根据极点配置，分别对LESO的增益系数β1、β2、β3以及比例和微分控制增益kp和kd进行参数化，如式(13)和式(14)所示：
β1＝3ω0，β2＝3ω0 2，β3＝ω0 3 (13)
Figure BDA0002515097810000104
其中，ω0表示LESO的观测器带宽，ωc表示PD控制器带宽。
因此，经过参数化，二阶LADRC的参数简化为观测器带宽ω0和控制器带宽ωc，ω0和ωc的选取直接影响LADRC的性能。
本发明改进线性自抗扰控制器LADRC的设计包括：
传统三阶LESO的扰动观测传递函数φ(s)如式(15)所示：
Figure BDA0002515097810000111
其中，s表示传递函数中的虚变量。LESO的扰动观测传递函数φ(s)为三阶系统，由于三阶系统的理论分析过于复杂，另一方面又由于其频率特性在中低频段与标准二阶系统类似，因此，将三阶系统φ(s)近似等效为二阶系统进行分析：
Figure BDA0002515097810000112
其中，φ(s)的特性决定了LESO对扰动的观测效果，作为典型的二阶系统，通过理论分析证明φ(s)在时域上存在响应速度与超调量之间的矛盾；在频域上存在相位滞后、随着频率的增大幅值衰减很大的特点，这些特性都说明了传统LESO的扰动观测性能是有缺陷的。
根据式(16)与标准的二阶系统进行对比可知：
Figure BDA0002515097810000113
其中，wn为标准二阶系统的角频率，ζ为阻尼比。
在二阶系统中，时间、频率响应主要取决于wn和ζ，由式(17)可知，wn和ζ这两个指标的变化影响着β1、β2、β3三个增益的变化，而其中β3的增益变化可以同时对wn和ζ起作用。简单来说，三个参数中，β3的变化对系统性能的影响是最大的。
通过上述的推导与分析可知，传统LESO的观测结构类似于标准的二阶系统，结构上也存在着一些不足，导致扰动频率增加时，扰动的观测性会越来越差。
本发明通过对传统LESO的观测增益系数β3进行改进，提出一种基于比例微分的改进型LESO，如式(18)所示：
β3(s)＝βa(1+βbs) (18)
其中，βa、βb为比例微分系数；
改进后的β3包含比例微分环节，LESO的扰动观测传递函数如式(19)所示：
Figure BDA0002515097810000121
式(19)和式(15)相比，闭环系统上增加了一个零点，从时域的角度来说，零点的存在减小了峰值时间，提高了系统的响应速度；从频域的角度来说，相当于串联了一个超前网络，降低了幅值下降的幅度和相位滞后的程度，提高了线性自抗扰控制器LADRC的抗扰能力，进而提高了系统的稳定性。本发明改进LADRC控制系统结构如图4所示。
步骤S4、基于直流侧母线电容存储的能量和改进自抗扰控制器LADRC，进行自抗扰控制器LADRC与储能并网逆变器的结合设计。
在进行储能并网逆变器数学建模时，采用二阶数学模型；若选取基准电压和功率，系统参数采用标幺值，则储能并网逆变器的瞬时输出功率如式(20)所示：
Figure BDA0002515097810000131
其中，P表示瞬时有功功率，Q表示瞬时无功功率，ud、uq分别表示控制量在dq轴上的分量，Es表示电网电压的实际值。
根据式(20)可知，有功功率和无功功率实现了解耦控制，继而实现了功率因数可调，储能并网逆变器的控制框图如图5所示；储能并网逆变器的控制为双闭环控制策略，外环为自抗扰控制策略，用于控制直流母线电压，实现直流母线电压的稳定，即外环为电压控制环；内环为PI控制策略，用于控制电流，实现在储能系统稳定运行时的单位功率因数控制以及并网侧故障时储能并网逆变器工作在STATCOM(Static Synchronous Compensator，静止同步补偿器)模式增加无功输出，即内环为电流控制环；具体原理为：
当系统稳定运行时，电压控制环的直流侧母线参考电压udc-ref与实际电压udc比较后经过LADRC调节器环节得到有功电流参考值idc-ref1,无功电流参考值iq-ref给定为0。电流控制环中，d、q轴电流参考值分别与实际值id、iq比较之后经过PI调节器环节，再加上耦合项ωLiq、ωLid与d、q轴的实际电压值ud、uq得到储能并网逆变器在dq上的输出电压ugd、ugq，最后经过坐标变换得到输出三相电压的控制量；其中，耦合项ωLiq、ωLid表示储能并网逆变器内环电流控制中的耦合关系。
当电网电压跌落时，电压外环中的无功电流参考值iq-ref由电压跌落深度决定，即电网电压实际值Es与参考值Es-ref比较之后经过PI环节得到，而有功参考电流idc-ref2则根据式
Figure BDA0002515097810000141
得到，其中，imax为储能并网逆变器允许的流过的最大电流；同时，根据选择性的启动直流侧的保护电路，电流内环控制不变，从而增加逆变器输出的无功功率，帮助并网侧电压恢复，以便于维持系统的稳定运行。
为进一步验证本发明基于改进LADRC的超级电容储能并网系统的控制方法的有效性，对改进前后的LADRC进行效果对比，并网侧低电压对称穿越30％的直流母线电压波形如图6所示，传统LADRC控制的直流母线电压在低压穿越0.7pu期间波动范围为0.975pu-1.022pu，恢复到稳定状态1.0pu需要0.2-0.25s的时间；而本发明改进LADRC控制下的直流母线电压波动范围为0.996pu-1.008pu，明显小于传统LADRC控制方法，并且能快速的达到稳定状态1.0pu，仅需0.1s以内的时间。相比之下，本发明改进LADRC控制在扰动状况下对直流母线电压的稳定有更好的控制效果，具有较好的抗干扰性能，更适合于实际系统的应用。
并网侧低电压对称穿越60％的直流母线电压波形如图7所示，传统LADRC控制的直流母线电压在低压穿越0.4pu期间波动范围为0.931pu-1.061pu，恢复到稳定状态1.0pu需要0.3s的时间；而本发明改进LADRC控制下的母线电压波动范围为0.970pu-1.027pu，并且能快速的达到稳定状态1.0pu，仅需0.1s以内的时间。相比之下，本发明改进的LADRC控制在扰动状况下对直流母线电压的稳定有更好的控制效果。同时，与网侧电压对称跌落30％相比，直流侧母线电压的波动范围明显变大，表明本发明改进的LADRC具有较好的抗干扰性能。由此可知：并网侧电压的对称跌落程度影响着直流侧母线电压的波动范围。
本发明结合基于改进LADRC超级电容储能并网逆变器直流母线电压的控制方法，储能并网逆变器与电网相连并通过空间矢量脉宽调制策略能够实现功率因数为1，有功功率和无功功率实现了解耦控制，继而实现了功率因数可调，储能并网逆变器的控制为双闭环控制策略，外环为自抗扰控制策略控制直流母线电压，实现直流母线电压的稳定，内环为PI控制策略控制电流，实现了在储能系统稳定运行时的单位功率因数控制以及网侧故障时逆变器工作在STATCOM模式增加无功输出，帮助网侧电压恢复，以便于维持系统的稳定运行，从而提高了系统的控制性能。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于改进LADRC的超级电容储能并网系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
搭建储能并网系统，所述储能并网系统包括储能并网逆变器、储能并网逆变器控制系统，构建储能并网逆变器的数学模型；
基于储能并网逆变器的数学模型，计算电网电压跌落时，储能并网逆变器的直流侧母线电容存储的能量；
基于线性扩张状态观测器LESO的观测增益系数，进行改进自抗扰控制器LADRC的设计；
基于直流侧母线电容存储的能量以及改进自抗扰控制器LADRC，进行自抗扰控制器LADRC与储能并网逆变器的结合设计。
2.根据权利要求1所述的基于改进LADRC的超级电容储能并网系统的控制方法，其特征在于，所述储能并网逆变器控制系统包括空间矢量脉宽调制SVPWM硬件层和控制层，所述SVPWM硬件层与所述储能并网逆变器的直流侧母线电压负极相连，所述控制层与所述SVPWM硬件层相连，所述储能并网逆变器与并网侧相连，所述直流侧母线与系统侧相连。
3.根据权利要求2所述的基于改进LADRC的超级电容储能并网系统的控制方法，其特征在于，所述储能并网逆变器数学模型的构建方法包括：
构建储能并网逆变器在dq旋转坐标系下的数学模型，具体如式1所示：
Figure FDA0002515097800000021
其中，R、L、C分别表示滤波电感内阻、滤波电感以及滤波电容，udc、idc分别表示直流侧母线电压、电流，egd、egq分别为电网电压在dq轴上的分量，ugd、ugq分别为储能并网逆变器输出的电压在dq轴上的分量，igd、igq分别为电网电流在dq轴上的分量，w为系统的基波频率，Sgk为系统开关函数在dq轴上的分量；
对式1进行简化，结果如式2所示：
Figure FDA0002515097800000022
4.根据权利要求3所述的基于改进LADRC的超级电容储能并网系统的控制方法，其特征在于，电网电压跌落时，储能并网逆变器的直流侧母线电容存储的能量如式7所示：
Figure FDA0002515097800000023
其中，Ps表示系统侧输出的有功功率，Pg表示并网侧储能并网逆变器输入功率，ΔP表示Pg与Ps之差，ΔT表示能量存储的时间。
5.根据权利要求3所述的基于改进LADRC的超级电容储能并网系统的控制方法，其特征在于，基于线性扩张状态观测器LESO的观测增益系数，进行改进自抗扰控制器LADRC设计的具体方法包括：
设计基于比例微分的改进型LESO，如式18所示：
β3(s)＝βa(1+βbs) 18
其中，β3(s)表示三阶LESO的增益系数，βa、βb表示比例微分系数；s表示传递函数中的虚变量；
LESO的扰动观测传递函数φ(s)如式19所示：
Figure FDA0002515097800000031
其中，LESO的扰动观测传递函数φ(s)为三阶系统，β1、β2表示三阶LESO的增益系数。
6.根据权利要求5所述的基于改进LADRC的超级电容储能并网系统的控制方法，其特征在于，储能并网逆变器的控制为双闭环控制策略，外环为自抗扰控制策略，用于控制直流母线电压，内环为PI控制策略，用于控制电流。
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