本發(fā)明屬于電力電子，具體涉及兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器改進(jìn)滑模自抗擾控制方法。

背景技術(shù)：

1、可再生能源作為未來(lái)能源體系的核心支柱，正以前所未有的速度發(fā)展。然而，可再生能源的間歇性和波動(dòng)性給電網(wǎng)穩(wěn)定帶來(lái)了挑戰(zhàn)，儲(chǔ)能技術(shù)因此成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。儲(chǔ)能變流器作為連接儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)的橋梁，其控制性能直接影響到儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率與穩(wěn)定性。

2、儲(chǔ)能變流器的主要功能是實(shí)現(xiàn)電能的雙向轉(zhuǎn)換，即能夠?qū)㈦娋W(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電為儲(chǔ)能電池充電，同時(shí)也能將儲(chǔ)能電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給電網(wǎng)。通過(guò)精確的控制策略，儲(chǔ)能變流器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電池充放電過(guò)程的精準(zhǔn)管理，從而確保儲(chǔ)能系統(tǒng)的高效運(yùn)行。隨著可再生能源的大規(guī)模接入，電網(wǎng)的波動(dòng)性和不確定性增加，對(duì)儲(chǔ)能變流器的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器改進(jìn)滑模自抗擾控制方法，在儲(chǔ)能變流器發(fā)生功率突變時(shí)，能更好地抑制輸出電流波動(dòng)。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器改進(jìn)滑模自抗擾控制方法，首先，建立儲(chǔ)能變流器在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并將其轉(zhuǎn)換至d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，將d、q軸的電流內(nèi)環(huán)耦合項(xiàng)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(dòng)，并將其擴(kuò)張為新的狀態(tài)變量，在此基礎(chǔ)上將其轉(zhuǎn)換為二階自抗擾范式形式，然后進(jìn)行超螺旋擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)，將超螺旋擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器中的不連續(xù)切換項(xiàng)sign函數(shù)采用雙曲線函數(shù)代替；設(shè)計(jì)隨著觀測(cè)誤差實(shí)時(shí)變化的變?cè)鲆婧瘮?shù)代替st-eso的線性增益；引入超螺旋積分終端滑模作為反饋控制器。

3、本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：

4、具體按照以下步驟實(shí)施：

5、步驟1：建立兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并轉(zhuǎn)換為二階自抗擾范式形式；

6、步驟2：控制器設(shè)計(jì)；

7、步驟2.1：功率外環(huán)控制器設(shè)計(jì)；

8、步驟2.2：電流內(nèi)環(huán)控制器設(shè)計(jì)；

9、步驟2.2.1：變?cè)鲆娉菪齟so設(shè)計(jì)；

10、步驟2.2.2：超螺旋積分終端滑?？刂破髟O(shè)計(jì)。

11、步驟3：通過(guò)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(yīng)用于儲(chǔ)能變流器開(kāi)關(guān)管的控制中，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能變流器的信號(hào)控制。

12、本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

13、步驟1具體為，

14、儲(chǔ)能變流器在并網(wǎng)工作的過(guò)程中，每個(gè)橋臂上下2個(gè)開(kāi)關(guān)管工作狀態(tài)是互補(bǔ)的，因此，定義開(kāi)關(guān)函數(shù)如下：

15、

16、式(1)中，j＝a,b,c，代表交流電網(wǎng)a、b、c三相；

17、根據(jù)基爾霍夫定律得儲(chǔ)能變流器在abc三相靜止坐標(biāo)系下的電壓、電流關(guān)系方程為：

18、

19、式(2)中，ua、ub、uc為兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器交流側(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)電容參數(shù)；r為線路等效電阻參數(shù)；ir為直流側(cè)變換器輸出電流；udc、ic為直流母線電壓、電流；ska、skb、skc分別為a、b、c三相橋臂開(kāi)關(guān)控制信號(hào)；

20、將式(2)進(jìn)行park變換，得到變流器在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

21、

22、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(kāi)關(guān)函數(shù)，eq、iq、sq分別為q軸的電網(wǎng)電壓、電流、開(kāi)關(guān)函數(shù)；l為濾波電感；udc、ic為直流母線電壓、電流。

23、步驟2.1具體為：

24、根據(jù)瞬時(shí)功率理論，為了使儲(chǔ)能變流器接近單位功率因數(shù)并網(wǎng)，無(wú)功電流恒等于0，在三相電網(wǎng)電壓平衡的條件下，儲(chǔ)能變流器網(wǎng)側(cè)的有功功率p和無(wú)功功率q的瞬時(shí)值表示為：

25、

26、由式(4)知，通過(guò)id和iq分別控制p和q，從而實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)；將式(4)變形，當(dāng)pref、qref給定時(shí)，通過(guò)計(jì)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(guò)pi調(diào)節(jié)后，再根據(jù)瞬時(shí)功率理論，加上系統(tǒng)p和q的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，進(jìn)而得到有功電流參考值idref和無(wú)功電流參考值iqref，如下式所示：

27、

28、式(5)中，pref、qref為給定有功功率及無(wú)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)。

29、步驟2.2.1具體為，

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

31、

32、將d、q軸的電流內(nèi)環(huán)耦合項(xiàng)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(dòng)，分別用fd1、fq1表示，將式(3)求導(dǎo)，轉(zhuǎn)換成adrc范式如下：

33、

34、式(7)中，bd、bq分別為d、q軸控制量的增益；

35、定義bdo、bqo為d、q軸控制量增益的估計(jì)值，令將式(7)轉(zhuǎn)化為以下形式：

36、

37、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(jì)值；

38、將fd、fq分別擴(kuò)張為新的狀態(tài)變量zd3、zq3，設(shè)計(jì)超螺旋擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器如下：

39、

40、式(9)中，zd1為xd1的估計(jì)值，zq1為xq1的估計(jì)值；zd2，zq2為導(dǎo)數(shù)的估計(jì)值，xd1為xq1導(dǎo)數(shù)的估計(jì)值；ed1為d軸觀測(cè)值與實(shí)際值之間差值，eq1為q軸觀測(cè)值與實(shí)際值之間差值；zd3為d軸耦合項(xiàng)、內(nèi)部擾動(dòng)以及未建模部分等的總擾動(dòng)fd的估計(jì)值，zq3為q軸耦合項(xiàng)、內(nèi)部擾動(dòng)以及未建模部分等的總擾動(dòng)fq的估計(jì)值；βd1、βd2、βd3、βq1、βq2、βq3為觀測(cè)器增益，當(dāng)超螺旋eso的觀測(cè)誤差e接近0時(shí)，觀測(cè)器的表達(dá)形式線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器表達(dá)形式一致，因此，采用帶寬法進(jìn)行整定如下：

41、β1，β2，β3的取值條件：β1＝3ω0，β2＝3ω02，β3＝ω03；

42、為了減小系統(tǒng)抖振，提高超螺旋擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)內(nèi)環(huán)總擾動(dòng)的觀測(cè)能力，提出了變?cè)鲆娉菪齟so，將超螺旋擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器中的不連續(xù)切換項(xiàng)sign函數(shù)采用雙曲線函數(shù)代替；其次，設(shè)計(jì)隨著觀測(cè)誤差實(shí)時(shí)變化的變?cè)鲆婧瘮?shù)代替st-eso的線性增益，以此提高對(duì)擾動(dòng)的觀測(cè)能力；

43、切換函數(shù)sign表達(dá)式為：

44、

45、由式(10)可知，sign函數(shù)為一個(gè)不連續(xù)函數(shù)，當(dāng)符號(hào)函數(shù)sign作為超螺旋滑模擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的切換函數(shù)時(shí)，會(huì)隨著觀測(cè)誤差產(chǎn)生不連續(xù)開(kāi)關(guān)控制特性，由此出現(xiàn)抖振問(wèn)題，影響系統(tǒng)的觀測(cè)精度，因此采用光滑的雙曲線函數(shù)f(ei)作為觀測(cè)器的切換函數(shù)；

46、雙曲線f(ei)函數(shù)表示為：

47、

48、改進(jìn)型超螺旋eso表達(dá)式為：

49、

50、式(12)中，zd1為xd1的觀測(cè)器改進(jìn)后估計(jì)值，zq1為xq1的觀測(cè)器改進(jìn)后估計(jì)值；zd2為xd1導(dǎo)數(shù)的觀測(cè)器改進(jìn)后估計(jì)值，zq2為xq1導(dǎo)數(shù)的觀測(cè)器改進(jìn)后估計(jì)值；zd3為耦合項(xiàng)、內(nèi)部擾動(dòng)以及未建模部分等的總擾動(dòng)fd的觀測(cè)器改進(jìn)后估計(jì)值，zq3為耦合項(xiàng)、內(nèi)部擾動(dòng)以及未建模部分等的總擾動(dòng)fq的觀測(cè)器改進(jìn)后估計(jì)值；為觀測(cè)器改進(jìn)后的變?cè)鲆婧瘮?shù)，如下所示：

51、

52、變?cè)鲆鎙(t)的表示式為：

53、

54、式(14)中，ηi、σ均為可調(diào)正實(shí)數(shù)，σ決定了改進(jìn)型超螺旋eso的觀測(cè)精度。

55、步驟2.2.2具體為，

56、定義系統(tǒng)狀態(tài)誤差d、q軸實(shí)際電流與參考電流偏差為ed、eq：

57、

58、根據(jù)式(15)電流偏差e，設(shè)計(jì)積分終端滑模面s如下：

59、

60、式(16)中，α，β，λ，η均為正常數(shù)，0＜γ＜1，p，q為正奇數(shù)，且

61、將式(16)滑模面s進(jìn)行求導(dǎo)，并將式(8)代入，可得：

62、

63、根據(jù)等效控制理論，令得系統(tǒng)的等效控制律如下：

64、

65、為了削弱抖振，并加速系統(tǒng)狀態(tài)到達(dá)滑模面，引入超螺旋趨近律作為滑模切換控制部分，超螺旋控制律由兩部分組成，設(shè)計(jì)如下：

66、

67、式(19)中，l1、l2均為大于0的常數(shù)；

68、聯(lián)立式(18)和式(19)可得到系統(tǒng)整體控制律s，其表達(dá)式如下：

69、s＝seq+ssw(20)

70、將式(12)中eso的d、q軸變量觀測(cè)值代入，得變流器最終控制律律sd、sq為

71、

72、本發(fā)明的有益效果是：

73、本發(fā)明是兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器改進(jìn)滑模自抗擾控制方法，首先對(duì)pcs進(jìn)行建模并將其轉(zhuǎn)化為二階自抗擾范式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行觀測(cè)器以及控制器的設(shè)計(jì)。具體效果如下：

74、1)本發(fā)明兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器改進(jìn)滑模自抗擾控制方法中sign函數(shù)為一個(gè)不連續(xù)函數(shù)，當(dāng)其作為超螺旋滑模擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的切換函數(shù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)由觀測(cè)誤差所產(chǎn)生的不連續(xù)開(kāi)關(guān)控制特性。這種特性往往伴隨著抖振問(wèn)題，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的觀測(cè)精度造成干擾。因此，引入光滑的雙曲線函數(shù)f(ei)，將其作為觀測(cè)器的切換函數(shù)，以減小系統(tǒng)抖振，保持系統(tǒng)穩(wěn)定；

75、2)設(shè)計(jì)了可隨著觀測(cè)精度實(shí)時(shí)變化的變?cè)鲆婧瘮?shù)代替st-eso的固定值增益，以提升觀測(cè)器對(duì)擾動(dòng)的觀測(cè)能力，提升系統(tǒng)的收斂速度；

76、3)本發(fā)明的超螺旋積分終端滑模采用超螺旋控制的思想，將傳統(tǒng)滑?？刂频幕瑒?dòng)模式改為超螺旋運(yùn)動(dòng)模式，從而能夠更加高效、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)。這種控制方式在動(dòng)態(tài)切換控制模式時(shí)，不會(huì)發(fā)生系統(tǒng)狀態(tài)的異常波動(dòng)和不穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，超螺旋積分終端滑?？刂颇軌?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的高精度控制；

77、4)傳統(tǒng)滑?？刂浦校捎诟哳l切換量的存在，系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生抖振現(xiàn)象，而本發(fā)明這幾篇敏化超螺旋積分終端滑模使用積分來(lái)獲取實(shí)際控制量，不含高頻切換量，因此系統(tǒng)中沒(méi)有抖振現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，超螺旋積分終端滑模控制具有極強(qiáng)的魯棒性，能夠有效克服系統(tǒng)的不確定性，對(duì)干擾和未建模動(dòng)態(tài)具有很強(qiáng)的抵抗能力。這使得系統(tǒng)在面對(duì)外部干擾或參數(shù)變化時(shí)，仍能保持良好的控制性能。