CN112104000A - 一种储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制方法，具体包括以下步骤：S1.构建储能并网逆变器的数学模型；将该数学模型中网侧逆变器电压方程通过Park变换后得到在同步旋转dq坐标系下的功率，并进行解耦控制；S2.构建改进的一阶线性自抗扰控制系统；S3.建立PI控制系统；S4.将改进后的一阶线性自抗扰控制系统作为外环电压环、PI控制系统作为内环电流环应用于储能并网逆变器中，得到储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制系统。本发明硬件装置设计简单、易于实现；提高了系统的抗高频噪声的扰动观测能力，并保证了并网电流和电压的稳定输出，进而优化储能并网时网侧低电压穿越故障下对直流母线电压的控制性能。

Description

一种储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制方法

技术领域

本发明涉及储能系统的并网控制领域，特别是涉及一种储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制方法。

背景技术

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的研究热点。在储能并网系统中，并网逆变器的设计使整个系统控制的核心，同时也是DC-AC转换的电力电子变换器。

传统的储能逆变系统一般采用比例-积分(PI)的电压电流双环控制，其具有简单、易于实现的优点，但对于多变量、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院在非线性比例-积分-微分(PID)控制器的基础上，提出了自抗扰控制(ADRC)的概念，该设计的ADRC不依赖于被控对象精确地数学模型，大大简化了控制系统的设计。但传统非线性ADRC包含的参数过多，整定困难，为了减少参数整定的数量，美国知名学者高志强教授对ADRC的各结构进行了线性化设计，提出了一种线性ADRC方法，该方法将宽带的概念引入到ADRC中，将控制器参数与控制器带宽和观测器带宽相联系，算法简单，易于工程实现，极大程度的减小了调试的难度。但是传统的线性自抗扰控制(LADRC)技术抗高频噪声抑制能力差，即在实际系统中易受电网电压波动的影响。

综上所述，寻找一种储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制的方法成为研究人员关注的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，提供一种储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制方法，目的在于稳定直流测母线电压的动态性能，改善传统的线性自抗扰控制(LADRC)技术抗高频噪声抑制能力差，即在实际系统中易受电网电压波动的影响的问题，以此来更好地改善储能系统并网时网侧低电压穿越的影响问题。

为实现上述目的，本发明提供一种储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

S1.构建储能并网逆变器的数学模型；将该数学模型中网侧逆变器电压方程通过Park变换后得到在同步旋转dq坐标系下的功率，并进行解耦控制；

S2.构建改进的一阶线性自抗扰控制系统；

S3.建立PI控制系统；

S4.将改进后的一阶线性自抗扰控制系统作为外环电压环、PI控制系统作为内环电流环应用于储能并网逆变器中，得到储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制系统。

优选地，所述步骤S1具体为：

S11.建立储能并网逆变器数学模型；该数学模型包括网侧逆变器电压方程；

S12.对网侧逆变器电压方程进行Park变换，得到同步旋转dq坐标系下的网侧逆变器电压方程；

S13.将电网的三相对称电压分别在d轴和q轴上投影，得到逆变器输出电压在旋转坐标dq轴上的分量；

S14.储能并网逆变器系统选取基准电压和功率，参数采用标幺值，通过得到的储能并网逆变器输出的瞬时有功功率和无功功率来进行解耦。

优选地，所述步骤S2具体为：

S21.LADRC将外扰、参数不确定性和耦合定义为总和扰动；

S22.基于总和扰动，建立LADRC的微分方程；

S23.建立二阶线性扩张状态观测器LESO数学模型；

S24.基于总和扰动和二阶LESO,得到系统观测器的带宽和控制器的带宽，并调整这两个参数的值；

S25.基于二阶LESO，在总合扰动的观测增益系数中引入比例微分环节，并在总和扰动作用通道的输出进行环节校正，得到改进的二阶LESO。

优选地，所述步骤S3具体为：

S31.构建PI控制的传递函数；

S32.对储能并网逆变器的电流进行控制，得到PI控制储能并网逆变器的传递函数。

优选地，所述步骤S4中的外环电压环具体为：

电压环的动态特性表示为如下函数：

式中，i_s为储能系统侧输出的电流；

将式子进行拉普拉斯变换得：

式中，u_dc为自抗扰控制器的输入信号，i_d为控制输入，i_q-ref为内环电流的参考输入。

优选地，所述步骤S22中改进的二阶LESO为：

对二阶LESO进行改进的微分方程为：

式中，u和y分别为系统的输入和输出；b为输入控制增益，b未知，b₀为b的估计值；z₁为y的跟踪信号，z₂为跟踪总和扰动信号，β₁、β₂为观测器的系数；T_α为超前时间常数；α为0～1间的系数；z₃为改进之后的LESO最终作用于系统的总和扰动，是由z₂经过总和扰动作用通道的环节校正得到。

本发明的有益效果在于：

(1)硬件装置设计简单、易于实现；

(2)内环采用PI控制策略控制电流，实现在储能系统稳定运行时的单位功率因数控制，并保证了并网电流的稳定输出。

(3)外环采用改进的一阶LADRC控制策略控制直流母线电压，即利用改进的二阶LESO对总和扰动作用通道的输出进行环节比较，来提高了系统的抗高频噪声的扰动观测能力，实现了直流母线电压的稳定，并提高了对系统的控制性能，；

(4)提出一种基于传统LADRC控制策略的新型双闭环控制策略，即内环电流环采用传统PI控制策略；外环电压环采用改进LADRC控制策略，提高了系统的抗高频噪声能力，并增强了对系统的控制精度，进而优化储能并网时网侧低电压穿越故障下对直流母线电压的控制性能。

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，还能够根据这些附图获得其他的附图。

图1为储能逆变器网侧控制结构图；

图2为储能并网逆变器的实际控制结构图；

图3为改进一阶LADRC控制结构图；

图4为改电流环控制原理图；

图5为改进线性自抗扰控制技术的储能并网逆变器控制原理图；

图6为网侧低电压对称穿越20％的直流母线电压波形图；

图7为网侧低电压不对称穿越20％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。

实施例1

参照图1-7，本发明提供一种储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制策略，具体包括如下步骤:

S1.构建储能并网逆变器的数学模型；将该数学模型中网侧逆变器电压方程通过Park变换后得到在同步旋转dq坐标系下的功率，并进行解耦控制；

储能系统网侧逆变器控制结构如图1所示，R、L、C分别为滤波电感内阻、滤波电感以及滤波电容；U_sabc为逆变器侧及输出侧的三相电压，I_sabc为输出的三相电流。

由图1可知，网侧逆变器电压方程经过Park变换后，得到同步旋转dq坐标系下的网侧逆变器电压方程：

式(1)中，u_gd、u_gq是旋转坐标dq轴上电网电压的分量；i_d、i_q是旋转坐标dq轴上电网电流的分量；u_d、u_q表示逆变器输出电压在旋转坐标dq轴上的分量；ω是储能系统网侧逆变器的角频率。若相量三相对称，则在d轴投影为E_m，在q轴上的投影为0，那么网侧并网逆变器的输出电压u_gd＝E_s，u_gq＝0，E_s为相电压的幅值，将(1)式简化为：

若选取基准电压和功率，系统参数采用标幺值，则并网逆变器输出的瞬时功率表达式为：

根据式(3)发现有功功率和无功功率实现了解耦控制，继而实现功率因数可调。

储能并网逆变器的实际控制框图如图2所示。并网逆变器所应用的控制方式为新型双闭环线性自抗扰控制策略，外环为改进线性自抗扰控制策略控制直流侧母线电压，实现直流母线电压的稳定；内环为传统PI控制策略控制电流，实现在储能系统稳定运行时的单位功率因数控制。

S2.构建改进的一阶线性自抗扰控制系统；

LADRC能将外扰、参数不确定性和耦合视为总和扰动，通过LESO进行估计和补偿，将系统补偿为纯积分串联型。其微分方程表达式为：

式中：u和y分别为系统的输入和输出，w为未知扰动，a₀为系统的参数，b为输入控制增益，b未知，b₀为b的估计值。

令x₁＝y，定义f(y,w)＝-a₀y+w+(b-b₀)u为系统广义扰动，包括系统中所有的不确定因素和未知外扰，并令x₂＝f(y,w)，h＝f(y,w)，＝得到系统的状态方程:

建立二阶LESO:

式中：z₁为y的跟踪信号，z₂为跟踪总和扰动信号，β₁、β₂为观测器的系数。

系统的线性状态误差反馈(Linear State Error Feedback，LSEF)律表达式为:

其中，u₀为比例控制器p的输出；

由于没有对状态的微分进行观测，故线性状态误差反馈控制律采用如下比例控制：

u₀＝k_p(v-z₁) (8)

其中，k_p为比例控制器p的增益，v为LADRC控制器的参考输入信号；

根据极点配置，将(6)式的极点配置在观测器的带宽ω₀上，则有：

β₁＝2ω₀，β₂＝ω₀ ² (9)

同理，可得：

k_p＝ω_c (10)

因此，LADRC能够简化为对系统观测器的带宽ω₀和控制器的带宽ω_c的控制，合理的调整这两个参数就能得到较好的控制效果。基于本发明所应用的控制器，在参数的整定过程中，按照如下原则进行：选取参数ω_c,ω₀初值,保持ω_c不变,逐步增大ω₀直到噪声影响难以满足系统要求；逐渐增大ω_c,当噪声影响难以承受导致系统输出波动时减小ω₀,然后再逐渐增大ω_c,依此循环调节,直到达到控制要求；在调整参数过程中,系统动态跟踪过程出现过大振荡时适当调整b₀，以达到预期的控制效果。

由式(6)得到传统二阶LESO的扰动观测传递函数为：

φ(s)作为二阶系统，其频率特性与典型二阶系统类似，时域上存在快速性和超调的矛盾；频域上存在相位滞后、幅值衰减严重的特点，这些特性决定了传统二阶LESO的扰动观测性能是不够理想的。因此，本发明对传统的二阶LESO进行改进，以改善LESO的控制性能并提高其对系统的控制效果。

为保证既能有效的增加LESO的观测带宽，也能很好地解决LESO在高频噪声处抑制能力差的问题，参考自控原理中超前校正滞后校正的方法，改进为如下表达式：

式中：T_α为超前时间常数；α为0～1间的系数。

式(12)的改进相当于是对总和扰动的观测增益系数在引入比例微分环节(超前环节)的基础上为克服LESO相位滞后严重、高频噪声抑制能力差的问题基础之上，有对总和扰动作用通道的输出进行环节校正(滞后环节)，以提高LESO抗高频噪声的扰动观测能力，从而进一步优化控制器，提高系统的控制性能。

由式(12)得到改进LESO的微分方程：

式(13)中，z₃为改进之后的LESO最终作用于系统的总和扰动，是由z₂经过总和扰动作用通道的环节校正得到。

综合(8)和(13)得到改进一阶LADRC的控制结构如图3所示：

S3.建立PI控制系统；

传统PI控制策略，控制框图如图4所示：

其中，i_ref为控制参考输入电流，G_a(s)为逆变器等效传递函数，G_b(s)为被控对象。

由于逆变器具有高增益、小惯性的特性，其传递函数为：

式(14)中，T_i为逆变器的开关周期，K_SVPWM为空间矢量脉宽调制的等效增益。由于逆变器开关频率远远高于电网频率，因此T_is+1≈1，即逆变器环节近似等效为一个比例增益环节，即：

G_a(s)＝K_SVPWM (15)

设逆变器输出电流为i_L，则有：

其中，R为线路等效总电阻，将式(16)进行拉普拉斯变换得到控制对象的传递函数为：

当储能系统输出的功率与逆变器输出的功率有偏差时，势必会在直流母线侧产生一个电压，这个电压不能过大也不能过小。直流侧母线电压的大小在一定程度上反映了储能并网系统输入功率的平衡状态。因此，直流侧母线电压的控制对于保证整个系统的稳定性至关重要。电压环的控制主要是用于实现直流侧母线电压的稳定输出，鉴于LADRC的优越性能，本发明将改进LADRC技术引用到电压外环中，以此来更好的维持直流侧母线电压的稳定。

S4.将改进后的一阶线性自抗扰控制系统作为外环电压环、PI控制系统作为内环电流环应用于储能并网逆变器中，得到储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制系统。

电压环的动态特性表示为如下函数:

式(18)中，i_s为储能系统侧输出的电流，将(18)式进行拉普拉斯变换得到：

在电压环改进LADRC设计中，u_dc作为自抗扰控制器的输入信号，i_d为控制输入，即内环电流的参考输入i_q-ref，u_dc和i_d能够通过测量得到。

具体控制原理：首先储能系统最大功率输出时对应的直流母线电压u_ref与实际直流母线电压u_dc进行对比，其误差信号经过改进LADRC处理后得到内环电流环的参考输入电流i_q-ref，i_s与实际输出电流比较后，误差信号经过PI控制器处理后与电网实际电压叠加，叠加信号经过SVPWM产生调制信号，从而实现对逆变器的控制。基于改进线性自抗扰控制技术的储能并网逆变器控制原理图如图5所示。

为了验证技术效果，本发明搭建储能系统仿真模型，设计实际工况，对改进前后的线性自抗扰控制技术进行效果对比：

如图6所示，在网侧对称低电压穿越20％时，传统LADRC控制的直流母线电压波动幅值比较大，范围为0.986pu-1.014pu，达到系统稳定状态1.0pu下的时间相对来说比较长，说明传统LADRC控制器受网侧电压故障的影响比较大，抗扰性能相对来说比较低。而改进LADRC控制下的直流母线电压波动幅值比较小，范围为0.996pu-1.004pu,并且能快速的达到稳定状态1.0pu，说明改进LADRC控制器受网侧电压故障的影响相对来说比较小，抗扰性能比较高。

如图7所示，在网侧不对称低电压穿越20％时，传统LADRC控制下的直流侧母线电压波动幅值比较大，范围为0.991pu-1.0008pu,在故障期间不易达到系统的稳定状态，而改进LADRC控制下的直流母线电压波动幅值明显比较小，范围为0.996pu-1.004pu,表明改进LADRC对网侧的电压故障具有更好的抗扰能力。在故障期间，直流侧的母线电压波形始终处于不平衡状态，不易于达到系统的稳定状态，这也正说明了不对称故障在实际工程中对系统并网影响更大的一面。

综上所述，无论是在对称低电压穿越故障下，还是在不对称低电压穿越故障下，通过仿真验证，都能够说明：改进一阶LADRC控制下的直流母线电压相对于传统LADRC控制具有更好的稳定效果，即对于网侧低电压穿越故障具有更好的控制作用。

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)

1.一种储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

S1.构建储能并网逆变器的数学模型；将该数学模型中网侧逆变器电压方程通过Park变换后得到在同步旋转dq坐标系下的功率，并进行解耦控制；

S2.构建改进的一阶线性自抗扰控制系统；

S3.建立PI控制系统；

S4.将改进后的一阶线性自抗扰控制系统作为外环电压环、PI控制系统作为内环电流环应用于储能并网逆变器中，得到储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制系统。

2.根据权利要求1所述的储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

S11.建立储能并网逆变器数学模型；该数学模型包括网侧逆变器电压方程；

S12.对网侧逆变器电压方程进行Park变换，得到同步旋转dq坐标系下的网侧逆变器电压方程；

S13.将电网的三相对称电压分别在d轴和q轴上投影，得到逆变器输出电压在旋转坐标dq轴上的分量；

S14.储能并网逆变器系统选取基准电压和功率，参数采用标幺值，通过得到的储能并网逆变器输出的瞬时有功功率和无功功率来进行解耦。

3.根据权利要求1所述的储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制方法，所述步骤S2具体为：

S21.LADRC将外扰、参数不确定性和耦合定义为总和扰动；

S22.基于总和扰动，建立LADRC的微分方程；

S23.建立二阶线性扩张状态观测器LESO数学模型；

S24.基于总和扰动和二阶LESO,得到系统观测器的带宽和控制器的带宽，并调整这两个参数的值；

S25.基于二阶LESO，在总合扰动的观测增益系数中引入比例微分环节，并在总和扰动作用通道的输出进行环节校正，得到改进的二阶LESO。

4.根据权利要求1所述的储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制方法，所述步骤S3具体为：

S31.构建PI控制的传递函数；

S32.对储能并网逆变器的电流进行控制，得到PI控制储能并网逆变器的传递函数。

5.根据权利要求1所述的储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制方法，所述步骤S4中的外环电压环具体为：

电压环的动态特性表示为如下函数：

式中，i_s为储能系统侧输出的电流；

将式子进行拉普拉斯变换得：

式中，u_dc为自抗扰控制器的输入信号，i_d为控制输入，i_q-ref为内环电流的参考输入。

6.根据权利要求3所述的储能并网逆变器的新型双闭环线性自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤S22中改进的二阶LESO为：

对二阶LESO进行改进的微分方程为：

式中，u和y分别为系统的输入和输出；b为输入控制增益，b未知，b₀为b的估计值；z₁为y的跟踪信号，z₂为跟踪总和扰动信号，β₁、β₂为观测器的系数；T_α为超前时间常数；α为0～1间的系数；z₃为改进之后的LESO最终作用于系统的总和扰动，是由z₂经过总和扰动作用通道的环节校正得到。

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