基于平坦理论的储能变流器改进自抗扰控制方法技术

本发明专利技术公开了基于平坦理论的储能变流器改进自抗扰控制方法，

【技术实现步骤摘要】
基于平坦理论的储能变流器改进自抗扰控制方法


[0001]本专利技术属于变流器
，具体涉及基于平坦理论的储能变流器改进自抗扰控制方法
。

技术介绍

[0002]由于全球能源消耗的迅速增长，传统能源面临巨大危机，为了解决这一问题，世界各国都在积极发展清洁能源代替传统能源
。
但是由于分布式电源由于受到天气等因素的影响具有一定的间歇性，输出的功率不稳定，直接接入电网会影响配电网的稳定运行，严重时还会降低配电网的安全性，建立储能系统是解决这一问题的有效方法
。
[0003]以光伏微电网为例，常见的源光储能源供电系统如图1所示，由三相交流电网
、
用户侧交流负载
、
变流器
、
分布式光伏电源
、
储能电池构成
。
该拓扑的工作方式为：当光照充足时，负荷所需功率由光伏电源提供，光伏产生多余能量由储能电池吸收；当光照强度较弱时，在高峰用电期间光伏电源发出功率不足以匹配负荷所需功率，差额部分由储能电池供给，仍不足再由电网补充，在低谷用电期间再由电网整流给储能模块充电恢复电池能量，以达到最大化匹配负载，减少电网电能使用的目的
。
在并网运行时受到光照
、
温度和负荷投切等影响时，功率流动方向会随机变化，直流电网电压发生波动从而影响系统的稳定性，储能变流器
(Power Conversion System,PCS)
作为该系统的重要组成部分，其控制策略的优劣直接决定了储能系统是否能稳定运行
。
[0004]在储能变流器
(PCS)
的控制算法中，传统的
PI
控制是线性算法，易于实现但难以达到理想的控制效果，因此国内外学者提出了许多非线性的控制
。
有文献提出了一种
LCL
型变流器的滑模控制策略，提高了风电变流器电网电压不平衡故障下的运行稳定性，但是滑模控制会引起抖振问题，使得系统能耗增加；还有文献在变流器上提出了一种基于干扰观测器的无偏置模型预测控制算法，该控制算法克服了传统电压定向控制策略的缺点，但是由于计算量较大且参数众多，实际应用受限；另有文献在
T
型三电平变流器上提出了一种能量成型控制策略抑制了谐波畸变并实现了较好的功率跟踪性能，但由于能量成型控制器是基于数学模型来设计的，因此对数学模型精度要求较高，在现实中难以获得；有文献提出了一种自适应算法和模糊控制相结合的控制策略提高了储能变流器的动态和稳态性能，但模糊控制规则中的模糊子集和隶属度函数选择缺少响应的理论根据和数学推导，需要凭经验设计
。
[0005]在众多非线性控制中，自抗扰控制
(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)
不需要知道系统的精确模型，是一种以扩张状态观测器
(Extended State Observer,ESO)
为核心的非线性控制策略，通过估计系统的内外部总扰动并加以补偿，提升了系统的控制精度，在电力电子领域中广泛使用
。
微分平坦控制
(Differential Flatness Based Control,DFBC)
是针对非线性系统提出的一种新型控制理论，具有能精准跟随参考轨迹的优点，该理论加入了误差反馈故也无需知道系统精确模型，目前
DFBC
在各个领域均有相关的应用
。
在系统实际运行过程中，受各种环境因素影响，电容和电感的实际值并不为标称
值
。
因此，将以上两种控制策略应用于
PCS
中可以在系统参数估计不准确情况下依旧获得良好的控制效果以满足实际需求
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供基于平坦理论的储能变流器改进自抗扰控制方法，提高负荷随机切投时储能变流器
(PCS)
的输出功率响应速度，抑制暂态时直流母线电压的波动
。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是，基于平坦理论的储能变流器改进自抗扰控制方法，
PCS
采用改进的电压外环和电流内环控制，首先，电压外环在传统
ADRC
的基础上，通过更改观测器为降阶扩张状态观测器
RESO
；通过互补滑模
CSMC
来设计状态误差反馈律，并在
CSMC
的指数趋近律中添加滑模面函数，将符号函数更改为双曲正切函数，使得系统状态在远离滑模面时，趋近速度接近无穷，而靠近滑模面时，趋近速度接近零；其次，
DFBC
应用于电流内环，将交流侧电流和电压的数学关系式变为符合平坦理论的范式，设计前馈控制器保证控制的快速性，设计反馈补偿器矫正系统输出误差
。
[0008]本专利技术的特点还在于，
[0009]具体按照以下步骤实施：
[0010]步骤
1、
建立
PCS
数学模型；
[0011]步骤
2、
电压外环控制器设计；
[0012]步骤
2.1、
观测器设计；
[0013]步骤
2.2、
状态误差反馈律设计；
[0014]步骤
3、
电流内环控制器设计
。
[0015]步骤1具体为：
[0016]储能系统电路包括
LC
滤波器
、PCS
和
DC/DC
变换器，当电网电压三相波形对称时，根据基尔霍夫定律可得
PCS
在
abc
三相静止坐标系下的电压和电流方程为：
[0017][0018]式
(1)
中，
L
和
C
分别为滤波器的电感和电容，
R
为电感的寄生电阻，
i
a
、i
b
、i
c
为交流侧电流，
e
a
、e
b
、e
c
为电网侧电压，
u
a
、u
b
、u
c
为交流侧
PCS
各相的电压，开关管
T1‑
T6构成了
PCS
的主体结构，
C
dc
为直流侧稳压电容，
i
out
是
PCS
输入到双向
DC/DC
变换器的电流，
i
load
为交流负载的相电流，
i
bat
为储能电池输出电流，
S
k
为晶闸管工作状态的开关函数，定义为：
[0019][0020]通过
Park
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于平坦理论的储能变流器改进自抗扰控制方法，其特征在于，
PCS
采用改进的电压外环和电流内环控制，首先，电压外环在传统
ADRC
的基础上，通过更改观测器为降阶扩张状态观测器
RESO
；通过互补滑模
CSMC
来设计状态误差反馈律，并在
CSMC
的指数趋近律中添加滑模面函数，将符号函数更改为双曲正切函数，使得系统状态在远离滑模面时，趋近速度接近无穷，而靠近滑模面时，趋近速度接近零；其次，
DFBC
应用于电流内环，将交流侧电流和电压的数学关系式变为符合平坦理论的范式，设计前馈控制器保证控制的快速性，设计反馈补偿器矫正系统输出误差
。2.
根据权利要求1所述的基于平坦理论的储能变流器改进自抗扰控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤
1、
建立
PCS
数学模型；步骤
2、
电压外环控制器设计；步骤
2.1、
观测器设计；步骤
2.2、
状态误差反馈律设计；步骤
3、
电流内环控制器设计
。3.
根据权利要求2所述的基于平坦理论的储能变流器改进自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：储能系统电路包括
LC
滤波器
、PCS
和
DC/DC
变换器，当电网电压三相波形对称时，根据基尔霍夫定律可得
PCS
在
abc
三相静止坐标系下的电压和电流方程为：式
(1)
中，
L
和
C
分别为滤波器的电感和电容，
R
为电感的寄生电阻，
i
a
、i
b
、i
c
为交流侧电流，
e
a
、e
b
、e
c
为电网侧电压，
u
a
、u
b
、u
c
为交流侧
PCS
各相的电压，开关管
T1‑
T6构成了
PCS
的主体结构，
C
dc
为直流侧稳压电容，
i
out
是
PCS
输入到双向
DC/DC
变换器的电流，
i
load
为交流负载的相电流，
i
bat
为储能电池输出电流，
S
k
为晶闸管工作状态的开关函数，定义为：通过
Park
变换可得在两相旋转坐标系下为电压和电流方程为：式
(3)
中，
ω
为电网电压的角频率，
v
d
、i
d
、S
d
分别为交流侧在
d
轴上的电压
、
电流
、
开关函
数；
v
q
、i
q
、S
q
分别为交流侧在
q
轴上的电压
、
电流
、
开关函数
。4.
根据权利要求3所述的基于平坦理论的储能变流器改进自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤
2.1
具体为：根据状态观测器的思想，将影响被控对象的总扰动扩张成新的状态变量加以补偿，对
U
dc
求二阶导，由式
(3)
可得：式
(4)
中，
F
为系统的总扰动，
b
为系统的输入增益；定义直流母线电压跟踪误差
θ
为：
θ
＝
U
ref
‑
U
dc
(5)
联立式
(4)
和式
(5)
得：式
(6)
中，
b0为系统输入增益的估计值，将剩余部分定义为扰动
F
d
，将
F
d
扩张为新的状态变量，令
x1＝
θ
，
x3＝
F
...

【专利技术属性】
技术研发人员：皇金锋，周杰，黄红杰，
申请(专利权)人：陕西理工大学，
类型：发明
国别省市：