CN111682589A - 基于自适应滑模控制策略的高渗透光伏电站并网特性研究方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应滑模控制策略的高渗透光伏电站并网特性研究方法，涉及新能源发电控制技术领域。考虑到高渗透光伏电站并网时，内部参数摄动和非线性负载扰动的影响，在三相电压型逆变器模型的基础上，提出了一种改进自适应滑模控制策略。包括设计高渗透率光伏电站并网逆变器侧电流控制状态方程、建立新型滑模控制的模型，并针对其中存在的问题，进一步提出模型参考自适应控制和局部滑动模态滑模控制相结合，并将其融入迭代学习控制的思想；该方法能够高精度跟踪和感知系统特性变化，并及时修正控制器参数，以便使控制效果保持较好的水平，本发明对系统内部参数摄动，外部诸多干扰都不敏感，且无需知道不确定项的界，提高了控制的精度和鲁棒性。

Description

基于自适应滑模控制策略的高渗透光伏电站并网特性研究 方法

技术领域

本发明涉及新能源发电控制技术领域，具体为一种基于自适应滑模控制策略的高渗透光伏电站并网特性研究方法。

背景技术

随着光伏电源大量的接入中低压配电网以及光伏渗透率的大幅提高，各种随机扰动也被引入，严重损害了系统的电能质量，产生了供电电压不稳、谐波污染、三相电压与无功功率不平衡等严重问题。现有光伏电站并网控制系统中，由于被控对象的结构复杂，存在大量的非线性且不确定性，这些都使得应用传统控制方法应对高渗透光伏电站并网控制难以达到令人满意的效果。为了使控制系统具有较强的鲁棒性，采用滑模控制，在系统的动态变化过程中，滑模控制可以不断地改变自己的结构，以适应当前的状态，因此，滑模控制对系统内部参数变化以及外部扰动不敏感，具有良好的动态响应特性，无需进行系统辨识，实现简单等优点；但是，它在控制过程中不可避免的带来抖振、切换增益过大、依赖数学模型、需要明确不确定项的界等问题。为了使现有光伏电站控制中，达到更高的精度、拥有高鲁棒性，同时还能应对众多不确定性的影响，因此研究智能结合算法是十分有必要的。

发明内容

本发明为了解决现有的光伏电站控制中所存在多种缺陷的问题，提供了一种基于自适应滑模控制策略的高渗透光伏电站并网特性研究方法。

本发明所提供的方法，是将自适应滑模控制与迭代学习控制结合来输入至调节机构，以达到控制的目的。自适应控制能较好的感知系统特性的变化，并随时修正控制器参数，以使控制效果保持较好的水平，滑模控制可以不断地改变自己的结构，以适应当前的状态，具有良好的动态响应特性，迭代学习控制能够提高控制精度。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于自适应滑模控制策略的高渗透光伏电站并网特性研究方法，包括如下步骤：

(1)设计高渗透率光伏电站并网逆变器侧电流控制状态方程：

①建立系统的功率回路方程以及逆变器侧电流控制的传递函数，过程如下：

带LCL滤波器的并网逆变器的功率回路方程如下：

其中，u_g是电网电压；u_i是逆变器侧输出电压；u_c是滤波器中电容电压；i₁是流经逆变器侧电感L₁的电流；i₂是流经网侧电感L₂的电流；

采用逆变器侧电流i₁间接控制并网电流X₃＝u_c的方法，则得到逆变器侧电流i₁与逆变器输出电压u_i的传递函数关系如下：

此时，为一个L型滤波器对并网电流i₂，控制对象为i₁，控制系统的相位和幅值裕度都比较充裕，保留了LCL滤波器对并网电流i₂高频信号衰减的良好特性；

②去掉滤波器中的电容电感的寄生电阻(寄生电阻可忽略)，并网逆变器的各变量关系如下：

令X₁＝i₁,X₂＝i₂,X₃＝u_c得：

化简得到：

(2)设计局部滑动模态滑模控制：u_r为经过下垂控制得到的参考电压；e为滤波输出电压u₀与参考输出电压u_r差值；

①将系统方程(Ⅲ)简化为一个典型的非线性系统，采用下式来表达：

设其状态空间中存在的切换面为：

S(x)＝S(x₁,…x_n,t)＝0 (2)

根据下式，

控制量u＝u(x)在切换面s(x)＝0上面进行切换；

假设系统是一个非线性单输入系统，状态空间被切换面分为上下两部分，分别是S(x)＞0和S(x)＜0；

采集切换面上存在的三个运动点A、B、C，A、B、C代表了三种情况：

a.A点为常点：系统运动点临近到切换面S＝0时，穿过此点继续运动；

b.B点为起点：系统运动点临近到切换面S＝0时，从切换面的两侧离开该点；

c.C点为止点：系统运动点运临近到切换面S＝0时，从切换面的两侧不断逼近该点，最终保持不变；

由于滑动模态区中的所有点都是止点，则当运动点不断靠近切换面时，滑动模态的存在前提如下：

当运动点离得切换面较近，且到达切换面的时间有限时，则滑动模态的局部到达条件为：

其中，切换函数S(x)能平滑经过原点，即S(0)＝0；

当运动点处于任意位置，且可以远离切换面时，则滑动模态的全局到达条件为：

考虑式(5)和(6)，可以用下式表达到达条件：

其中，δ＞0，δ可取任意小；

采用下式李雅普诺夫型的到达条件来代替上述到达条件：

其中，V(x)为定义的李雅普诺夫函数，若V(x)正定，

负定，则系统最终稳定于切换面；

②建立滑模控制系统；通过设计切换函数S(x)和滑动模态控制律u^±(x)来建立滑模控制系统，设计过程如下：

a.切换函数S(x)的设计：

为了保证滑模具有良好的性能质量和渐进稳定性，S(x)采用如下形式：

其中，e为跟踪误差，多项式P(p)＝c₁+c₂p+…+c_n-1p^(n-2)+p^(n-1)为Hurwitz稳定，c_i为正常数，i＝1,…n-1，其值取决于跟踪误差衰减速度；

b.滑动模态控制律u^±(x)的设计：

为了满足到达条件，控制律一般表达为等效控制u_eq加切换控制u_sw，如下式：

u＝u_eq+u_sw (10)

其中，等效控制项u_eq为无外加干扰时的趋近模态运动；切换控制项u_sw为存在外加干扰和不确定性时的滑动模态运动；

此时，所设计的滑模控制既能满足滑动模态的到达性，又能满足滑动模态的存在性。(3)设计滤波参数自适应律：

设计三阶滑模面，如下：

对其求导，得下式：

设计如下控制律：

其中，u_in-sw、u_in-tr分别为控制输入的开关项和跟踪项；ρ(t)为开关增益，需要满足滑模面的存在条件ρ(t)＞|d(t)|；

分别为h₁(t)、h₂(t)的观测值：

γ₁、γ₂分别为h₁、h₂的自适应系数，为正常数；

为了验证由式(13)、(14)组成的滑模系统的稳定性，引入了李雅普诺夫函数：

式中，

别为h₁(t)，h₂(t)的跟踪误差；

对式(15)求导，得下式：

把式(12)、(14)代入式(16)，可得：

由式(15)、(17)得，V₁正定，

半正定，V₁＞0及

不能总满足

因此，滑模系统在

处渐进稳定；

(4)设计开关增益自适应律：抖振是控制输入信号开关项的不连续性引起的，引入自适应开关增益可以实时预测与i₀相关的外部扰动边界值，它不仅完全抵消了外部扰动的影响，并且极大降低了控制输入信号的抖振；

引入自适应开关增益来实时预测与i₀相关的外部扰动边界值，开关增益的自适应算法表达如下式：

其中，

是ρ(t)的观测值，γ₃是开关增益的自适应系数，为正常数；

用

替式(13)中的ρ(t)，控制输入的开关项表示如下：

(5)稳定性分析：

由式(11)所得；

分别为h₁、h₂、ρ的观测值，由式(14)、(18)所得；u_in-tr为控制输入电压的跟踪项；由式(13)所得；u_in-sw为控制输入电压的开关项：

为了验证式(11)所示滑模面的全局渐进稳定性，引入了如下的李雅普诺夫函数：

其中，

为ρ的观测误差；

对V₂求导，并且把式(16)、(17)和(18)考虑在内，得下式：

由于

V₂(t)非递增，因此S_u、

和

是有界的；

定义如下函数：

对式(22)积分，得：

由于

是有界函数，

是非递增有界函数，得结果如下：

M₁∈[0,∞)是均匀连续的，由Barbalet引理，可以推出：lim_t→∞M₁(t)＝0；结果表明：当t→∞时，S_u→0；由此得出，提出的控制系统保证了全局渐进稳定性；

(6)设计迭代学习与自适应滑模结合的控制系统：

设计为：内环为自适应滑模控制，外环为迭代学习控制，控制规律如下：

其中u_k(t)为控制量，e_k+1(t)为误差，t为采样时间，k为迭代次数，P₀(t)、I₀(t)、D₀(t)分别为比例、积分、微分系数；

最后将u_k+1(t)和步骤(3)当中的u_in(t)同时输入调节机构，对于整个装置进行调节控制。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种基于自适应滑模控制策略的高渗透光伏电站并网特性研究方法，滑模控制对系统内部参数变化以及外部扰动不敏感，具有良好的动态响应特性，无需进行系统辨识，实现简单等优点；自适应控制能较好的感知系统特性的变化，并随时修正控制器参数，以使控制效果保持较好的水平；迭代学习控制能以非常简单的方式处理不确定度相当高的动态系统，且仅需较少的先验知识和计算量，同时适应性强，易于实现；更主要的是，它不依赖于动态系统的精确数学模型，是一种以迭代产生优化输入信号，使系统输出尽可能逼近理想值的算法。

附图说明

图1为本发明的逆变器并联控制框图。

图2为本发明切换面上三个点的特性图。

图3为本发明的自适应滑模与迭代学习控制结合的控制框图。

图4为本发明的自适应滑模的电压闭环控制框图。

图5为实施例的方法下的电网电压波形图。

图6为实施例的方法下的并网电流的波形图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种基于自适应滑模控制策略的高渗透光伏电站并网特性研究方法，包括如下步骤：(1)设计高渗透率光伏电站并网逆变器侧电流控制状态方程：

①建立系统的功率回路方程以及逆变器侧电流控制的传递函数，过程如下：

带LCL滤波器的并网逆变器的功率回路方程如下：

其中，u_g是电网电压；u_i是逆变器侧输出电压；u_c是滤波器中电容电压；i₁是流经逆变器侧电感L₁的电流；i₂是流经网侧电感L₂的电流；

采用逆变器侧电流i₁间接控制并网电流X₃＝u_c的方法，则得到逆变器侧电流i₁与逆变器输出电压u_i的传递函数关系如下：

此时，为一个L型滤波器对并网电流i₂，控制对象为i₁，控制系统的相位和幅值裕度都比较充裕，保留了LCL滤波器对并网电流i₂高频信号衰减的良好特性；

②去掉滤波器中的电容电感的寄生电阻，并网逆变器的各变量关系如下：

令X₁＝i₁,X₂＝i₂,X₃＝u_c得：

化简得到：

(2)设计局部滑动模态滑模控制：u_r为经过下垂控制得到的参考电压；e为滤波输出电压u₀与参考输出电压u_r差值；

①将系统方程(Ⅲ)简化为一个典型的非线性系统，采用下式来表达：

设其状态空间中存在的切换面为：

S(x)＝S(x₁,…x_n,t)＝0 (2)

根据下式，

控制量u＝u(x)在切换面s(x)＝0上面进行切换；

假设系统是一个非线性单输入系统，状态空间被切换面分为上下两部分，分别是S(x)＞0和S(x)＜0；

采集切换面上存在的三个运动点A、B、C，A、B、C代表了三种情况：

a.A点为常点：系统运动点临近到切换面S＝0时，穿过此点继续运动；

b.B点为起点：系统运动点临近到切换面S＝0时，从切换面的两侧离开该点；

c.C点为止点：系统运动点运临近到切换面S＝0时，从切换面的两侧不断逼近该点，最终保持不变；

由于滑动模态区中的所有点都是止点，则当运动点不断靠近切换面时，滑动模态的存在前提如下：

当运动点离得切换面较近，且到达切换面的时间有限时，则滑动模态的局部到达条件为：

其中，切换函数S(x)能平滑经过原点，即S(0)＝0；

当运动点处于任意位置，且可以远离切换面时，则滑动模态的全局到达条件为：

考虑式(5)和(6)，可以用下式表达到达条件：

其中，δ＞0，δ可取任意小；

采用下式李雅普诺夫型的到达条件来代替上述到达条件：

其中，V(x)为定义的李雅普诺夫函数，若V(x)正定，

负定，则系统最终稳定于切换面；

②建立滑模控制系统；通过设计切换函数S(x)和滑动模态控制律u^±(x)来建立滑模控制系统，设计过程如下：

a.切换函数S(x)的设计：

为了保证滑模具有良好的性能质量和渐进稳定性，S(x)采用如下形式：

其中，e为跟踪误差，多项式P(p)＝c₁+c₂p+…+c_n-1p^(n-2)+p^(n-1)为Hurwitz稳定，c_i为正常数，i＝1,…n-1，其值取决于跟踪误差衰减速度；

b.滑动模态控制律u^±(x)的设计：

为了满足到达条件，控制律一般表达为等效控制u_eq加切换控制u_sw，如下式：

u＝u_eq+u_sw (10)

其中，等效控制项u_eq为无外加干扰时的趋近模态运动；切换控制项u_sw为存在外加干扰和不确定性时的滑动模态运动；

(3)设计滤波参数自适应律：

设计三阶滑模面，如下：

对其求导，得下式：

设计如下控制律：

其中，u_in-sw、u_in-tr分别为控制输入的开关项和跟踪项；ρ(t)为开关增益，需要满足滑模面的存在条件ρ(t)＞|d(t)|；

分别为h₁(t)、h₂(t)的观测值：

γ₁、γ₂分别为h₁、h₂的自适应系数，为正常数；

为了验证由式(13)、(14)组成的滑模系统的稳定性，引入了李雅普诺夫函数：

式中，

别为h₁(t)，h₂(t)的跟踪误差；

对式(15)求导，得下式：

把式(12)、(14)代入式(16)，可得：

由式(15)、(17)得，V₁正定，

半正定，V₁＞0及

不能总满足

因此，滑模系统在

处渐进稳定；

(4)设计开关增益自适应律：

引入自适应开关增益来实时预测与i₀相关的外部扰动边界值，开关增益的自适应算法表达如下式：

其中，

是ρ(t)的观测值，γ₃是开关增益的自适应系数，为正常数；

用

代替式(13)中的ρ(t)，控制输入的开关项表示如下：

(5)稳定性分析：

由式(11)所得；

分别为h₁、h₂、ρ的观测值，由式(14)、(18)所得；u_in-tr为控制输入电压的跟踪项；由式(13)所得；u_in-sw为控制输入电压的开关项：

为了验证式(11)所示滑模面的全局渐进稳定性，引入了如下的李雅普诺夫函数：

其中，

为ρ的观测误差；

对V₂求导，并且把式(16)、(17)和(18)考虑在内，得下式：

由于

V₂(t)非递增，因此S_u、

和

有界的；

定义如下函数：

对式(22)积分，得：

由于

有界函数，

是非递增有界函数，得结果如下：

M₁∈[0,∞)是均匀连续的，由Barbalet引理，可以推出：lim_t→∞M₁(t)＝0；结果表明：当t→∞时，S_u→0；由此得出，提出的控制系统保证了全局渐进稳定性；

(6)设计迭代学习与自适应滑模结合的控制系统：

设计为：内环为自适应滑模控制，外环为迭代学习控制，控制规律如下：

其中u_k(t)为控制量，e_k+1(t)为误差，t为采样时间，k为迭代次数，P₀(t)、I₀(t)、D₀(t)分别为比例、积分、微分系数；

最后将u_k+1(t)和步骤(3)当中的u_in(t)同时输入调节机构，对于整个装置进行调节控制。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于自适应滑模控制策略的高渗透光伏电站并网特性研究方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)设计高渗透率光伏电站并网逆变器侧电流控制状态方程：

①建立系统的功率回路方程以及逆变器侧电流控制的传递函数，过程如下：

带LCL滤波器的并网逆变器的功率回路方程如下：

其中，u_g是电网电压；u_i是逆变器侧输出电压；u_c是滤波器中电容电压；i₁是流经逆变器侧电感L₁的电流；i₂是流经网侧电感L₂的电流；

采用逆变器侧电流i₁间接控制并网电流X₃＝u_c的方法，则得到逆变器侧电流i₁与逆变器输出电压u_i的传递函数关系如下：

②去掉滤波器中的电容电感的寄生电阻，并网逆变器的各变量关系如下：

令X₁＝i₁,X₂＝i₂,X₃＝u_c得：

化简得到：

(2)设计局部滑动模态滑模控制：u_r为经过下垂控制得到的参考电压；e为滤波输出电压u₀与参考输出电压u_r差值；

①将系统方程(Ⅲ)简化为一个典型的非线性系统，采用下式来表达：

根据高渗透率光伏电站并网逆变器侧电流控制方程，设其状态空间中存在的切换面为：

S(x)＝S(x₁,…x_n,t)＝0 (2)

根据下式，

控制量u＝u(x)在切换面s(x)＝0上面进行切换；

假设系统是一个非线性单输入系统，状态空间被切换面分为上下两部分，分别是S(x)＞0和S(x)＜0；

采集切换面上存在的三个运动点A、B、C，A、B、C代表了三种情况：

a.A点为常点：系统运动点临近到切换面S＝0时，穿过此点继续运动；

b.B点为起点：系统运动点临近到切换面S＝0时，从切换面的两侧离开该点；

c.C点为止点：系统运动点运临近到切换面S＝0时，从切换面的两侧不断逼近该点，最终保持不变；

由于滑动模态区中的所有点都是止点，则当运动点不断靠近切换面时，滑动模态的存在前提如下：

当运动点离得切换面较近，且到达切换面的时间有限时，则滑动模态的局部到达条件为：

其中，切换函数S(x)能平滑经过原点，即S(0)＝0；

当运动点处于任意位置，且可以远离切换面时，则滑动模态的全局到达条件为：

考虑式(5)和(6)，可以用下式表达到达条件：

其中，δ＞0，δ可取任意小；

采用下式李雅普诺夫型的到达条件来代替上述到达条件：

其中，V(x)为定义的李雅普诺夫函数，若V(x)正定，

负定，则系统最终稳定于切换面；

②建立滑模控制系统；通过设计切换函数S(x)和滑动模态控制律u^±(x)来建立滑模控制系统，设计过程如下：

a.切换函数S(x)的设计：

为了保证滑模具有良好的性能质量和渐进稳定性，S(x)采用如下形式：

其中，e为跟踪误差，多项式P(p)＝c₁+c₂p+…+c_n-1p^(n-2)+p^(n-1)为Hurwitz稳定，c_i为正常数，i＝1,…n-1，其值取决于跟踪误差衰减速度；

b.滑动模态控制律u^±(x)的设计：

为了满足到达条件，控制律一般表达为等效控制u_eq加切换控制u_sw，如下式：

u＝u_eq+u_sw (10)

其中，等效控制项u_eq为无外加干扰时的趋近模态运动；切换控制项u_sw为存在外加干扰和不确定性时的滑动模态运动；

(3)设计滤波参数自适应律：

设计三阶滑模面，如下：

对其求导，得下式：

设计如下控制律：

其中，u_in-sw、u_in-tr分别为控制输入的开关项和跟踪项；ρ(t)为开关增益，需要满足滑模面的存在条件ρ(t)＞|d(t)|；

分别为h₁(t)、h₂(t)的观测值：

γ₁、γ₂分别为h₁、h₂的自适应系数，为正常数；

为了验证由式(13)、(14)组成的滑模系统的稳定性，引入了李雅普诺夫函数：

式中，

分别为h₁(t)，h₂(t)的跟踪误差；

对式(15)求导，得下式：

把式(12)、(14)代入式(16)，可得：

由式(15)、(17)得，V₁正定，

半正定，V₁＞0及

不能总满足

因此，滑模系统在

处渐进稳定；

(4)设计开关增益自适应律：

引入自适应开关增益来实时预测与i₀相关的外部扰动边界值，开关增益的自适应算法表达如下式：

其中，

是ρ(t)的观测值，γ₃是开关增益的自适应系数，为正常数；

用

代替式(13)中的ρ(t)，控制输入的开关项表示如下：

(5)稳定性分析：

由式(11)所得；

分别为h₁、h₂、ρ的观测值，由式(14)、(18)所得；u_in-tr为控制输入电压的跟踪项；由式(13)所得；u_in-sw为控制输入电压的开关项：

为了验证式(11)所示滑模面的全局渐进稳定性，引入了如下的李雅普诺夫函数：

其中，

为ρ的观测误差；

对V₂求导，并且把式(16)、(17)和(18)考虑在内，得下式：

由于

V₂(t)非递增，因此S_u、

和

是有界的；

定义如下函数：

对式(22)积分，得：

由于

是有界函数，

是非递增有界函数，得结果如下：

M₁∈[0,∞)是均匀连续的，由Barbalet引理，可以推出：lim_t→∞M₁(t)＝0；结果表明：当t→∞时，S_u→0；由此得出，提出的控制系统保证了全局渐进稳定性；

(6)设计迭代学习与自适应滑模结合的控制系统：

设计为：内环为自适应滑模控制，外环为迭代学习控制，控制规律如下：

其中u_k(t)为控制量，e_k+1(t)为误差，t为采样时间，k为迭代次数，P₀(t)、I₀(t)、D₀(t)分别为比例、积分、微分系数；

最后将u_k+1(t)和步骤(3)当中的u_in(t)同时输入调节机构，对于整个装置进行调节控制。

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