本發(fā)明屬于電力電子，具體涉及基于變增益超螺旋觀測器的并網(wǎng)逆變器自抗擾控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著全球?qū)稍偕茉吹娜找嬷匾?，太陽能、風能等清潔能源得到了廣泛應用。與此同時，為應對全球氣候變化，各國紛紛提出了雙碳目標，即實現(xiàn)碳達峰和碳中和，以減少溫室氣體排放，促進可持續(xù)發(fā)展。

2、三相并網(wǎng)逆變器作為能源轉(zhuǎn)換與分配的核心設備，負責將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以滿足電網(wǎng)和用電設備的需求，其控制技術(shù)的優(yōu)化對于提高能源利用效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要?，F(xiàn)有的控制策略如比例積分(pi)控制、矢量控制等雖然在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)對逆變器的精確控制，但在面對快速變化的負載和電網(wǎng)環(huán)境時，可能存在響應速度慢、控制精度不足等問題。此外，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，對逆變器控制策略的靈活性、自適應性等要求也越來越高。提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率、降低系統(tǒng)成本是新能源發(fā)電系統(tǒng)的重要目標。然而，現(xiàn)有控制技術(shù)在實際應用中可能受到硬件條件、算法復雜度等因素的限制，難以同時實現(xiàn)高效率與低成本。因此，需要不斷探索新的控制策略和技術(shù)手段，以平衡系統(tǒng)效率與成本之間的關(guān)系。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供基于變增益超螺旋觀測器的并網(wǎng)逆變器自抗擾控制方法，解決了傳統(tǒng)pi控制方法在三相并網(wǎng)逆變器發(fā)生功率突變時，直流母線電壓波動較大且d、q軸之間存在耦合的問題。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，基于變增益超螺旋觀測器的并網(wǎng)逆變器自抗擾控制方法，首先，建立三相并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型，并將其轉(zhuǎn)換至d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下，在此基礎上將其轉(zhuǎn)換為二階自抗擾范式形式，然后進行超螺旋擴張狀態(tài)觀測器的設計，將超螺旋擴張狀態(tài)觀測器中的不連續(xù)切換項sign函數(shù)采用雙曲線函數(shù)代替；其次，設計隨著觀測誤差實時變化的變增益函數(shù)代替st-eso的線性增益；然后引入反步控制與終端互補滑模相結(jié)合作為反饋控制器。

3、本發(fā)明的特點還在于，

4、具體按照以下步驟實施：

5、步驟1：建立三相并網(wǎng)逆變器在d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型，并轉(zhuǎn)換為二階自抗擾范式形式；

6、步驟2：控制器設計；

7、步驟2.1：功率外環(huán)控制器設計；

8、步驟2.2：電流內(nèi)環(huán)控制器設計；

9、步驟2.2.1：變增益超螺旋eso設計；

10、步驟2.2.2：反步互補終端滑?？刂破髟O計；

11、步驟3：通過控制器獲得控制輸出，使用spwm調(diào)制得到占空比，將占空比應用于三相并網(wǎng)逆變器開關(guān)管的控制中，從而實現(xiàn)三相并網(wǎng)逆變器的信號控制。

12、步驟1具體為，

13、并網(wǎng)逆變器在并網(wǎng)工作的過程中，每個橋臂上下2個開關(guān)管工作狀態(tài)是互補的，因此，定義開關(guān)函數(shù)如下：

14、

15、式(1)中，j＝a,b,c，代表交流電網(wǎng)a、b、c三相；

16、根據(jù)基爾霍夫定律，得并網(wǎng)逆變器在abc三相靜止坐標系下的電壓、電流關(guān)系方程為：

17、

18、式(2)中，ua、ub、uc為三相并網(wǎng)逆變器交流側(cè)三相電壓；isa、isb、isc為交流側(cè)三相電流；ea、eb、ec為交流電網(wǎng)電壓；l為濾波電感；cdc為直流側(cè)電容；r為線路等效電阻參數(shù)；ir為直流側(cè)電源電流；udc、ic為直流側(cè)電容電壓、電流；ska、skb、skc分別為a、b、c三相橋臂開關(guān)控制信號；

19、將式(2)進行park變換，可得到逆變器在d-q坐標系下的數(shù)學模型為：

20、

21、式(3)中，ω為電網(wǎng)電壓的角頻率；ed、id、sd分別為d軸的電網(wǎng)電壓、電流、開關(guān)函數(shù)，eq、iq、sq分別為q軸的電網(wǎng)電壓、電流、開關(guān)函數(shù)；l為濾波電感；udc、ic為直流側(cè)電容電壓、電流。

22、步驟2.1具體為：

23、功率外環(huán)的主要作用是保證逆變器在并網(wǎng)過程中功率守恒，為后面的電流內(nèi)環(huán)提供參考值，根據(jù)瞬時功率理論，為了使三相并網(wǎng)逆變器接近單位功率因數(shù)并網(wǎng)，無功電流恒等于0，在三相電網(wǎng)電壓平衡的條件下，三相并網(wǎng)逆變器網(wǎng)側(cè)的有功功率p和無功功率q的瞬時值表示為：

24、

25、由式(4)知，通過id和iq分別控制p和q，從而實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié)；將式(4)變形，當pref、qref給定時，通過計算，直接得到d、q軸電流參考值；但為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，引入pi調(diào)節(jié)器，p、q與p、q指令值的偏差經(jīng)過pi調(diào)節(jié)后，再根據(jù)瞬時功率理論，加上系統(tǒng)p和q的動態(tài)響應，進而得到有功電流參考值idref和無功電流參考值iqref，如下式所示：

26、

27、式(5)中，pref、qref為給定有功功率及無功功率參考值，idref、iqref為d、q軸電流內(nèi)環(huán)參考值，kdp、kdi為d軸pi調(diào)節(jié)參數(shù)，kqp、kqi為q軸pi調(diào)節(jié)參數(shù)。

28、步驟2.2.1具體為，

29、首先，定義狀態(tài)變量d軸電流id為xd1，狀態(tài)變量q軸電流iq為xq1，由式(3)得：

30、

31、為了簡化控制器設計難度，將d，q軸的電流內(nèi)環(huán)耦合項和未建模部分以及內(nèi)環(huán)的內(nèi)外干擾視為內(nèi)環(huán)總擾動，分別用fd1，fq1表示，將式(3)求導，轉(zhuǎn)換成adrc范式如下：

32、

33、式(7)中，bd、bq分別為d、q軸控制量的增益；

34、定義bdo、bqo為d、q軸控制量增益的估計值，令將式(7)轉(zhuǎn)化為：

35、

36、式(8)中，fd＝(bd-bdo)sd+fd1，fq＝(bq-bqo)sq+fq1，bdo、bqo為d、q軸控制量增益的估計值；

37、將集總擾動fd、fq分別擴張為新的狀態(tài)變量zd3、zq3，則可設計超螺旋擴張狀態(tài)觀測器如下：

38、

39、式(9)中，zd1為xd1的估計值，zq1為xq1的估計值；zd2，zq2為導數(shù)的估計值，xd1為xq1導數(shù)的估計值；ed1為d軸觀測值與實際值之間差值，eq1為q軸觀測值與實際值之間差值；zd3為d軸耦合項、內(nèi)部擾動以及未建模部分等的總擾動fd的估計值，zq3為q軸耦合項、內(nèi)部擾動以及未建模部分等的總擾動fq的估計值；βd1、βd2、βd3、βq1、βq2、βq3為觀測器增益，當超螺旋eso的觀測誤差e接近0時，觀測器的表達形式線性擴張狀態(tài)觀測器表達形式一致，因此，采用帶寬法進行整定如下：

40、β1，β2，β3的取值條件：β1＝3ω0，β2＝3ω02，β3＝ω03。

41、為了減小系統(tǒng)抖振，提高超螺旋擴張狀態(tài)觀測器對內(nèi)環(huán)總擾動的觀測能力，提出了變增益超螺旋eso，將超螺旋擴張狀態(tài)觀測器中的不連續(xù)切換項sign函數(shù)采用雙曲線函數(shù)代替；其次，設計隨著觀測誤差實時變化的變增益函數(shù)代替st-eso的線性增益，以此提高對擾動的觀測能力；

42、切換函數(shù)sign表達式為：

43、

44、由式(10)可知，sign函數(shù)為一個不連續(xù)函數(shù)，當符號函數(shù)sign作為超螺旋滑模擴張狀態(tài)觀測器的切換函數(shù)時，會隨著觀測誤差產(chǎn)生不連續(xù)開關(guān)控制特性，由此出現(xiàn)抖振問題，影響系統(tǒng)的觀測精度，因此采用光滑的雙曲線函數(shù)f(ei)作為觀測器的切換函數(shù)。

45、雙曲線f(ei)函數(shù)表示為：

46、

47、改進型超螺旋eso表達式為：

48、

49、式(12)中，zd1為xd1的觀測器改進后估計值，zq1為xq1的觀測器改進后估計值；zd2為xd1導數(shù)的觀測器改進后估計值，zq2為xq1導數(shù)的觀測器改進后估計值；zd3為耦合項、內(nèi)部擾動以及未建模部分等的總擾動fd的觀測器改進后估計值，zq3為耦合項、內(nèi)部擾動以及未建模部分等的總擾動fq的觀測器改進后估計值；為觀測器改進后的變增益函數(shù)，如下所示：

50、

51、變增益l(t)的表示式為：

52、

53、式(14)中，ηi，σ均為可調(diào)正實數(shù)，σ決定了改進型超螺旋eso的觀測精度。

54、步驟2.2.2具體為，

55、定義系統(tǒng)狀態(tài)誤差d,q軸實際電流與參考電流偏差為e：

56、e＝x-xref(15)

57、根據(jù)反步法級聯(lián)遞進的設計思想，定義一個虛擬反饋量：

58、

59、式(16)中，a為常數(shù)，x為狀態(tài)變量，即d電流id或q軸電流iq；

60、定義lyapunov函數(shù)va為：

61、

62、對式(17)求導，并將式(8)和式(16)代入得：

63、

64、令k為常數(shù)，則有式(18)可變?yōu)椋?/p>

65、

66、由式(19)知，當ρ收斂至0時，子系統(tǒng)穩(wěn)定，因此可通過控制虛擬反饋量ρ進行控制律的設計；

67、將終端項引入互補滑模面，設計廣義滑模面sg和互補滑模面sc如下：

68、

69、式(20)與式(21)中m，λ為正常數(shù)，a、b均為正奇數(shù)，對應于同一正常數(shù)λ，得到滑模面總和：

70、s(t)＝sg+sc＝2ρ+2λρm(22)

71、由式(20)、式(21)和式(22)得滑模面之間關(guān)系為：

72、

73、對bctsmc系統(tǒng)選擇lyapunov函數(shù)vb如下：

74、

75、對vb求導得到：

76、

77、由于-ηs2≤0，故令則仍成立，滿足李雅普諾夫穩(wěn)定性條件，系統(tǒng)可在有限時間內(nèi)收斂；根據(jù)等效控制理論，等效控制律seq為：

78、

79、滑模切換控制部分設計為：

80、

81、式(27)中，l1，l2均為大于0常數(shù)；

82、聯(lián)立式(26)和式(27)得到bctsmc控制律sbct，其表達式如下：

83、sbct＝seq+sv(28)

84、將式(12)eso中d，q軸變量觀測值代入，得逆變器系統(tǒng)最終控制律sd、sq為：

85、

86、本發(fā)明的有益效果是：

87、本發(fā)明是基于變增益超螺旋eso的三相并網(wǎng)逆變器改進滑模自抗擾控制方法，首先對并網(wǎng)逆變器進行建模并將其轉(zhuǎn)化為二階自抗擾范式，在此基礎上進行觀測器以及控制器的設計。具體效果如下：

88、1)sign函數(shù)為一個不連續(xù)函數(shù)，當符號函數(shù)sign作為超螺旋滑模擴張狀態(tài)觀測器的切換函數(shù)時，會隨著觀測誤差產(chǎn)生不連續(xù)開關(guān)控制特性，由此出現(xiàn)抖振問題，影響系統(tǒng)的觀測精度，因此采用光滑的雙曲線函數(shù)f(ei)作為觀測器的切換函數(shù)，以減小系統(tǒng)抖振，保持系統(tǒng)穩(wěn)定。

89、2)設計了可隨著觀測精度實時變化的變增益函數(shù)代替st-eso的固定值增益，以提升觀測器對擾動的觀測能力，提升系統(tǒng)的收斂速度。

90、3)本發(fā)明中終端互補滑?？刂?terminal?complementary?sliding?modecontrol，tcsmc)結(jié)合了終端滑模和互補滑?？刂频奶匦?，通過在控制策略中引入終端項，系統(tǒng)能在有限時間內(nèi)收斂到平衡點，從而實現(xiàn)快速響應。tcsmc對外部擾動和不確定性具有較強的魯棒性。由于引入了終端項和互補項，系統(tǒng)能夠在存在擾動和不確定性的情況下保持穩(wěn)定的性能，并快速恢復到期望狀態(tài)。

91、4)為了更好的提高系統(tǒng)的魯棒性，簡化設計過程并提高效率，引入反步控制與滑?？刂葡嘟Y(jié)合。反步法采用遞歸的思想進行設計，對于含有不匹配不確定性的系統(tǒng)，能有效地進行處理。通過遞歸地構(gòu)造閉環(huán)系統(tǒng)的lyapunov函數(shù)，獲得反饋控制器，使控制器的設計過程具有系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的優(yōu)點。該方法能夠極大地提高系統(tǒng)過渡過程的品質(zhì)，保證閉環(huán)系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性，并且同時還能保證每一個子系統(tǒng)的運動品質(zhì)達到期望的性能。