一种光伏并网逆变器直流母线电压的鲁棒控制方法
阅读说明：本技术 一种光伏并网逆变器直流母线电压的鲁棒控制方法 (Robust control method for DC bus voltage of photovoltaic grid-connected inverter ) 是由 周雪松 刘乾 马幼捷 潘俊清 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于改进型自抗扰的光伏并网逆变器直流母线电压控制方法,涉及光伏发电领域。本发明包括以下步骤：建立并网逆变器和直流母线上的功率平衡模型；基于并网逆变器和直流母线上的功率平衡模型,构建ESO和反馈控制律,其中ESO负责估计系统动态中的总扰动,反馈控制律对总扰动进行实时补偿。本发明对传统ESO的内部结构做出了变更以提升对扰动的估计能力,进而使整个控制器补偿扰动更为充分。(The invention discloses a photovoltaic grid-connected inverter direct-current bus voltage control method based on improved active disturbance rejection, and relates to the field of photovoltaic power generation. The invention comprises the following steps: establishing a power balance model on a grid-connected inverter and a direct current bus; and constructing an ESO (electronic stability and safety) and a feedback control law based on a power balance model on the grid-connected inverter and the direct-current bus, wherein the ESO is responsible for estimating the total disturbance in the system dynamic state, and the feedback control law carries out real-time compensation on the total disturbance. The invention changes the internal structure of the traditional ESO to improve the estimation capability of disturbance, thereby enabling the whole controller to compensate the disturbance more fully.)
技术领域
本发明涉及光伏发电领域，更具体的说是涉及一种光伏并网逆变器直流母线电压的鲁棒控制方法。
背景技术
对于工业中广泛应用的两级式光伏并网发电系统，除了要实现最大功率跟踪和电流保护外，还必须将连接前后级的直流侧电容上的电压控制在合理范围内。该电压过高会触发保护装置动作，过低会导致功率从电网侧流向直流侧。因此，对直流母线电压的有效控制一直以来是一个研究热点。
一般而言，直流母线电压受逆变器控制系统来调节，该系统通常采用电压外环和电流内环的双闭环控制结构。电压外环的任务是保持直流母线电压恒定，电流内环则在交流侧负责功率因数校正和谐波补偿。然而系统中各种扰动的存在(例如电网电压波动和环境的不确定性)使传统PI控制难以实现理想的控制效果。此外，PI控制还可能因初始控制力过大而使系统震荡或严重超调。因此，本发明公开了一种强鲁棒的外环控制方案来增强直流母线电压的抗扰性。
近年来，工程应用领域中盛行了一种新兴控制技术——自抗扰控制(activedisturbance rejection control,ADRC)，该技术被广泛用作传统PI控制器的优化版。ADRC不需要被控对象的精确模型，且具有控制精度高、抗干扰能力强等特点。它的核心思想是将积分串联型作为被控对象的标准型，把系统动态中异于标准型的所有部分都归结为“广义扰动”，并构造扩张状态观测器(extended state observer,ESO)对该扰动进行估计，最终通过反馈控制律对该扰动加以补偿。因此ADRC具有很强的抗扰性，并被广泛应用于各种电机调速系统、光伏系统、风电系统等控制中。
发明内容
对于ADRC所生成的控制系统，其整体性能主要取决于ESO对广义扰动的估计精度。为此，本发明对传统ESO的内部结构做出了变更以提升对扰动的估计能力，进而使整个控制器补偿扰动更为充分。
有鉴于此，本发明提供了一种基于改进型自抗扰的光伏并网逆变器直流母线电压控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于改进型自抗扰的光伏并网逆变器直流母线电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立并网逆变器和直流母线上的功率平衡模型；
基于并网逆变器和直流母线上的功率平衡模型，构建ESO和反馈控制律，其中ESO负责估计系统动态中的总扰动，反馈控制律对总扰动进行实时补偿。
优选的，对所述并网逆变器模型如下：
式中u*，i*和e*分别表示逆变器输出相电压，并网电流和电网相电压。
优选的，所述并网逆变器模型转换到以电网角频率同步旋转的dq坐标系中，得到如下模型：
式中u·、i·和e·分别是逆变器输出相电压、并网电流和电网相电压在dq轴上的分量；ω表示电网电压角频率。
优选的，所述功率平衡模型如下：
其中udc为直流母线电压，C2是直流母线电容，is是直流母线输入电流，ed是逆变器输出相电压在d轴上的分量，id是逆变器输出相电压在d轴上的分量。
优选的，所述功率平衡模型的微分方程如下：
优选的，根据电流内环简化为传递函数1/(3Ts+1)的惯性环节，被控对象模型的微分方程简化为：
优选的，构建ESO的具体步骤如下：
将以标准范式描述：
其中，b0为控制增益，f为总干扰，其包括系统的内扰和外扰is；将定义为第一个状态变量x1，f定义为扩张状态x2，则的状态空间表达式为:
对应的降阶ESO：
式中l1，l2表示ESO的观测增益；z1，z2分别为直流母线电压和总扰动的估计值；e1为直流母线电压的跟踪误差；
从等式得到：
由于重新写为：:
将作为调节依据来构建ESO：
优选的，所述反馈控制律如下：
其中kp和kd分别为PD控制器的控制参数；r和y分别表示直流母线电压的参考值和输出值；b0为控制增益。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于改进型自抗扰的光伏并网逆变器直流母线电压控制方法，具有以下有益效果：
第1方面：ESO改进前后的扰动估计能力对比
通过对应用Laplace变换，可以求出ESO改进前后的扰动估计传递函数，其分别为和ωo/(s+ωo)。对两个传递函数绘制同带宽下的伯德图，如图5a-图5b所示。可以看出改进型ESO在中高频率范围内的幅值增益更为可观，并且在一定程度上改善了相位滞后的缺陷。但值得注意的是，虽然增强了某类高频扰动的估计能力，但同样也增加了噪声敏感性。在实际应用中，可以在ESO之前搭配滤波器来解决噪声问题。
第2方面：为了验证上述技术的理论分析，在系统启动期间分析了传统ESO与改进型ESO关于广义扰动的估计曲线，如图6a-图6b所示。在改进型ESO的框架中，估计曲线与实际曲线更加一致，并且扰动消除的时间明显缩短。ESO性能的提升为控制器提供了更快速更充足的扰动信息，进而加快了扰动补偿的过程。
第3方面：传统ADRC和改进型ADRC的仿真控制效果对比，利用SIMULINK建立光伏并网系统的仿真模型，在多种工况下分析和比较了两种控制方法的直流母线电压波形，其中所选取的带宽参数均一致。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的两级式光伏并网系统的拓扑结构图；
图2为本发明逆变器常用的双闭环控制结构图；
图3为本发明电压外环的简化控制框图；
图4为本发明ADRC的结构示意图；
图5a-图5b为本发明两种观测器关于扰动估计的伯德图；
图6a-图6b为本发明两种观测器估计广义扰动的动态曲线。
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。
本发明实施例公开了一种基于改进型自抗扰的光伏并网逆变器直流母线电压控制方法，其设计过程包括如下步骤：
第1步：建立网侧逆变器和直流母线上的功率平衡模型：
图1描述了两级式光伏并网系统的拓扑结构，其中前级通过MPPT算法控制光伏阵列，后级则维持直流母线电压稳定，并将直流电变换为交流电来实现并网。
在三相静止坐标系中对并网逆变器建模：
式中u*，i*和e*分别表示逆变器输出相电压，并网电流和电网相电压。由于各个变量都是难控制的交流量，因此通过Park变换将(1)式转换到以电网角频率同步旋转的dq坐标系中，简化控制系统的设计：
式中u·、i·和e·分别是逆变器输出相电压、并网电流和电网相电压在dq轴上的分量；ω表示电网电压角频率。
为了实现对网侧有功功率和无功功率的分离控制，通常使d轴方向与电网电压矢量对齐，有eq＝0。因此，由逆变器注入到电网的有功功率根据瞬时功率理论可以表述为：
若不考虑交流侧滤波器和开关器件的损耗，逆变器直流侧端子功率与电网侧功率相等，进而建立网侧逆变器和直流母线上的功率平衡模型：
其中udc为直流母线电压，C2是直流母线电容，is是直流母线输入电流。由式(4)可以看出直流母线电压的动态与电容两侧的功率平衡有关。
将式(4)化简为标准的微分方程：
可见，逆变器直流母线电压udc的调节可通过控制并网电流d轴分量id来实现。所以在图2所示的逆变器双闭环控制结构中，外环的控制输出信号可以作为内环电流的参考值此外，大量的研究表明电流内环可以简化为一个传递函数为1/(3Ts+1)的惯性环节。因此可以绘制出电压外环的控制框图，如图3所示，其中is可以看作一个外部扰动，被控对象模型可以简化为：
第2步：改进型自抗扰控制策略的设计
如图4所示，ADRC由ESO和反馈控制律构成。ESO负责估计系统动态中的总扰动，而反馈控制律对该扰动进行实时补偿。图中r为直流母线电压参考值u为d轴电流参考值y为系统输出udc。
构建ESO之前的第一步是将模型(6)以标准范式描述：
其中，b0为控制增益，f为总干扰，其包括系统的内扰和外扰is。对于二阶对象，通常设计三阶ESO来估计总扰动。然而当直流母线电压可以测量时，可以采用降阶ESO来减轻估计负担。因此将定义为第一个状态变量x1，f定义为扩张状态x2，则受控对象(7)的状态空间表达式为:
设计对应降阶ESO：
式中l1，l2表示ESO的观测增益；z1，z2分别为直流母线电压和总扰动的估计值；e1为直流母线电压的跟踪误差。由式(9)可以看出z1和z2的动态跟踪均由偏差e1来负反馈控制。如果将这种机制映射到经典控制中的偏差调节原理，会发现总扰动的动态估计是通过其他状态变量的偏差来调节的。在这种前提下，当z1实现了很好的跟踪后，因e1此刻非常小，观测器会对z2的调节显得乏力。为此，从偏差控制原理来分析的话，ESO估计总扰动的过程更值得通过z2与x2之间的误差来进行反馈调节。
从等式(9)可知：
由于式(10)可以重新写为：:
将作为调节依据来构建改进型ESO：
通过极点配置方法，选择观测器增益l1＝ωo，l2＝ωo使特征方程的根都位于左半平面。这里ωo也可称为观测器带宽，通过选取合适的带宽可使观测器实时跟踪所定义的状态变量。
设计以下控制律来补偿广义扰动：
其中kp和kd分别为PD控制器的控制参数；r和y分别表示直流母线电压的参考值和输出值；b0为控制增益。
式中kd＝2ωc是反馈控制器的参数。这里ωc也可以成为控制器带宽。如果将式(13)代入到式(7)，可得到系统的闭环传递函数：
该表达式是一个阻尼比为1的二阶标准传递函数，这说明了ADRC能够实现对给定值的快速无超调跟踪。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。