技术领域
[0001] 本发明属于电力电子技术领域，具体涉及储能变流器控积分型快速非奇异自适应超螺旋滑模控制方法。
相关背景技术
[0002] 随着经济的发展，能源的需求和消耗日益增大，传统的能源储量逐渐减少，发展可再生能源已成为国内为研究共识，风电光伏等可再生能源得到了迅速发展，分布式电源系统、微电网、直流电网等新型供电方式成为了研究热点。传统能源对环境污染日益严重的情况下，新能源汽车等低碳环保项目的发展得到了国家大力支持，新能源利用的发展面临着前所未有的机遇和挑战。
[0003] 在众多新能源领域中，储能技术是其中非常重要的一个技术环节，在光伏风电等可再生能源发电系统中，发电系统具有很大的不稳定性和随机性。为了保证供电的稳定性和可靠性，储能变流器作为储能电站与电网相连的一个重要链接部分，具有多输入多输出、强耦合、非线性的特点，针对储能变流器的非线性控制方法成为了目前研究的重点问题，储能变流器的控制效果极易受到各种多源干扰与不确定性的影响。例如电磁干扰、谐波干扰等诸多形式的外部干扰，这些干扰对系统的调压性能产生很大影响，甚至会影响到系统的稳定性。由于工况中存在各种不确定性和外部扰动，复杂的不确定性对逆变器的正常工作产生很大影响，同时一些特殊的应用场景对逆变器的动态响应和稳定误差提出更高要求。因此如何在系统中存在多中非线性干扰的情况下，保证逆变器的鲁棒性，提升系统性能指标，成为学者们的研究热点。
[0004] 传统的PID控制方法作为工程中最为常见的控制策略，结构简单且易于实现，但其参数整定复杂，鲁棒性较差。利用反馈线性方法，建立平衡点小领域内的线性信号模型，实现系统的闭环稳定性，然而这种方法对干扰相对敏感，线性化方法并不能有效抑制非匹配干扰。
具体实施方式
[0078] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0079] 实施例1
[0080] 本实施例提供一种储能变流器控积分型快速非奇异自适应超螺旋滑模控制方法，用于对光储变流器后级变流器进行控制，后级变流器为三相并网逆变器，如图1所示，包括由给定的功率参考值经过PQ控制得到电流的参考值，采用状态空间平均法建立三相全桥逆变器的受扰状态空间平均模型，以ADRC为基础，将变流器的耦合部分归入到集总扰动中，通过有限时间观测器和超螺旋干扰观测器快速精准的估计了扰动，将观测器的输出作为前馈补偿与输出反馈控制方法相结合，设计基于超螺旋干扰观测器和有限时间状态观测器的积分型快速非奇异自适应超螺旋滑模控制器，实现逆变器输出电流的控制。
[0081] 实施例2
[0082] 本实施例提供一种储能变流器控积分型快速非奇异自适应超螺旋滑模控制方法，在实施例1的基础上，具体按照以下步骤实施：
[0083] 步骤1：构建三相并网逆变器d‑q坐标系下的数学模型；
[0084] 三相并网逆变器电路拓扑如图2所示，直流侧电压由幅值为uin的直流电压源提供，通过控制逆变器输出一定的功率来供给交流负载使用。该图中，Cdc为直流侧稳压电容，udc为直流侧稳压电容两端的电压值，io表示直流母线电流，根据基尔霍夫定律推导出并网逆变器在abc坐标系下的变量关系：
[0085]
[0086] 式(1)中，ua、ub、uc为三相逆变器侧的三相电压，iLa、iLb、iLc为流过电感的三相电流，L、C分别为滤波电感、电容参数，R为电路等效电阻参数，uga、ugb、ugc为交流电网电压，ia、ib、ic为电网侧的三相电流；
[0087] 将式(1)经过坐标变换得d‑q坐标下的逆变器交流侧的数学模型为：
[0088]
[0089] 式(2)中，ω为电网电压角频率，ud、uq分别表示逆变器的交流电压在d、q轴上的分量，iLd、iLq分别表示电感电流在d、q轴上的分量，id、iq分别表示网侧电流在d、q轴上的分量，udr＝Sdudc，uqr＝Squdc，Sd、Sq分别为d、q轴开关函数，开关函数定义为：
[0090]
[0091] 步骤2：将步骤1建立的数学模型转化为空间状态模型，将总扰动扩张到空间状态模型中，构建并网三相逆变器的等效模型；
[0092] 在电网电压三相平衡的基础下，取电网电压d轴方向作为电压矢量的方向，根据瞬时功率理论，得到功率方程为：
[0093]
[0094] 式(4)中，Pref、Qref分别为设定的有功功率和无功功率的参考值，idref、iqref分别为设定的有功功率和无功功率的电流参考值；
[0095] 由式(4)计算电路中有功功率和无功功率：
[0096]
[0097] 在此三相逆变器的基础上使用PQ控制，PQ控制控制包括功率外环和电流内环，外环通过式(5)计算的电流内环参考值idref、iqref，然后由式(2)微分方程设计电流内环控制律来控制输出；
[0098] 将系统内外部扰动和参数摄动统一用集总扰动表示，对式(2)进行数学变换得到如下受扰模型：
[0099]
[0100] 式(6)中，bd、bq分别为d、q轴控制量增益，fd、fq分别为等效后的d、q轴集总扰动，集总扰动fd、fq包括系统未建模部分、耦合部分以及系统内外扰动，其表达式为：
[0101]
[0102] 步骤3：根据并网三相逆变器的等效模型设计超螺旋扰动观测器和有限时间观测器，超螺旋扰动观测器用于观测系统的总扰动，将观测的总扰动反馈到有限时间观测器对状态变量进行估计，引入二阶扰动估计，提高对扰动和状态变量的观测精度；
[0103] 步骤4：根据步骤3得到的观测值应用到积分型快速非奇异自超螺旋滑模控制器中，在滑模面中引入积分项；
[0104] 步骤5：根据步骤4得到的滑模控制器，加入自适应超螺旋趋近律；
[0105] 步骤6：根据以上步骤构建基于超螺旋干扰观测器和有限时间状态观测器的快速积分终端滑模的并网逆变器控制方法得到的输出，使用SPWM调制得到占空比，将占空比应用于三相逆变器开关管的控制中，实现对三相逆变器的控制。
[0106] 实施例3
[0107] 本实施例提供一种储能变流器控积分型快速非奇异自适应超螺旋滑模控制方法，在实施例1‑2的基础上，步骤3具体为，
[0108] 令状态变量 xq3＝fq，则式(7)写成如下形式：
[0109]
[0110] 定义zd1、zd2、zd3、zq1、zq2、zq3分别为xd1、xd2、xd3、xq1、xq2、xq3的观测值，根据式(6)受扰模型，设计如下有限时间观测器:
[0111]
[0112] 式(9)中，sgn(.)为符号函数，kd1、kd2、kq1、kq2为观测器增益且为正数；α1∈(1‑ε,1)，ε＞0，α2＝2α1；
[0113] 设计如下超螺旋干扰观测器：
[0114]
[0115] 式(10)中，sgn(.)为符号函数；k1,2,3,4为观测器增益； 式中扰动xd3，xq3计算如下：
[0116]
[0117] 步骤4具体为，
[0118] 令d、q轴电网侧电流id，iq与网侧电流参考值之间的偏差ed、eq为：
[0119]
[0120] 式(12)中，idref为id的参考值，iqref为iq的参考值；
[0121] 积分滑模为滑模面的一种特殊的构造方式，在线性滑模面的基础上新增积分项，使得统滑模的切换函数的阶数与系阶数一致，可以使系统在初始阶段就位于滑模面，保证了系统的全局鲁棒性，因此将积分滑模面与非奇异终端滑模相结合，选取d‑q轴积分型快速非奇异终端滑模面Sd、Sq为：
[0122]
[0123] 式(13)中，λ1和λ2大于0，
[0124] 当系统进入滑动模态时，有 即：
[0125]
[0126] 实施例4
[0127] 本实施例提供一种储能变流器控积分型快速非奇异自适应超螺旋滑模控制方法，在实施例1‑3的基础上，步骤5具体为，
[0128] 对式(14)求导并化简得：
[0129]
[0130] 分析式(15)可知，线性项和在系统的不同运动阶段起着不同的作用的主导作用，可以实现全局快速收敛，并且在滑模面构造时引入积分项，不存在微分项，避免了奇异现象；
[0131] 由式(15)得电流内环d、q轴的等效控制律udreq、uqreq为：
[0132]
[0133] 以改进型的超螺旋滑模趋近律作为滑模面的切换控制律，d轴切换控制律如下：
[0134]
[0135] 式(17)中，ma为切换项的积分， k2＝2εk1+β+42
ε ，其中 γ1，μ，ε，β，km均为正常数，k1、k2自适应控制律不需要扰动以及导数的边界值可实现系数的自适应调整；
[0136] q轴切换控制律如下：
[0137]
[0138] 式(18)中，mb为切换项的积分， k5＝2εk4+β+42
ε ，其中 γ1，μ，ε，β，km均为正常数，k4、k5自适应控制律不需要扰动以及导数的边界值可实现系数的自适应调整；
[0139] 联立式(16)、式(17)与式(18)得d、q轴的完整的综合控制律ud、uq为：
[0140]
[0141] 本发明对储能变流器的控制如图3所示。
[0142] 对储能变流器的前级DC/DC变换器采用电压、电流双环控制，以提高系统控制精度和抗干扰能力，电压外环采用改进后的滑模自抗扰控制，通过有限时间观测器对直流母线电压和扰动进行估计，在反馈控制中采用积分型快速非奇异终端滑模控制器；电压外环为电感电流内环提供参考值，故电压外环的控制量为电感电流；
[0143]
[0144] 式(20)中，fv(t)、fc(t)分别为电压、电流的未知扰动；
[0145] 对式(20)求导得：
[0146]
[0147] 式(21)中 bv为控制量的增益， fv为除控制输入之外的等效集总扰动。
[0148] 令状态变量xv1＝udc,xv2＝fv，则电压外环观测器形式为：
[0149]
[0150] 式中，电压外环观测器增益lv1,v2＞0；zv1、zv2分别为xv1、xv2的观测值。
[0151] 双向DC/DC参考值为udcref，输出电压和参考电压的误差为edc：
[0152] edc＝udc‑udcref(23)
[0153] 设计积分型快速非奇异终端滑模面为：
[0154]
[0155] 对式(24)滑模面求导得：
[0156]
[0157] 联立式(21)和式(25)得外环控制律为：
[0158]
[0159] 通过上述内容可知，本发明储能变流器控积分型快速非奇异自适应超螺旋滑模控制方法具有如下优点：
[0160] 1)本发明采用的超螺旋干扰观测器和固定时间观测器，无需建立逆变器系统的精确数学模型，可估计低频和高频扰动，观测对象的扰动一阶导数不需要为零，这尤其适用于内部参数变化大存在外部变化等不确定信息的逆变器。该观测器利用了超螺旋算法提高了观测器对外部和内部参数扰动观测的精度和速度。
[0161] 2)本发明所采用的快速积分终端滑模控制器以三相输出电流经d‑q坐标变换得到两相旋转坐标系下的电流，得到电流的跟踪误差作为输入，接着引入积分项，对系统进行层层修正，使系统有着较高的精度和鲁棒性，保证系统在受到内外部扰动时的全局稳定性。
[0162] 3)本发明所采用的超螺旋函数收敛速度快速且稳定，使干扰误差在有限时间内收敛于零，从而达到预期的性能。其由两部分构成，其一，可获得误差变量的连续函数，从而使误差信号也表现为连续状态；其二，该误差中存在不连续时间导数的积分，避免了抖振现象的发生。
[0163] 4)本发明引入了一种参数自适应律对广义超螺旋滑模控制器进一步改进，使得广义超螺旋滑模控制器具有更好的稳态和瞬态性能，进一步提升控制器的收敛速度和抗扰能力。
[0164] 仿真分析
[0165] 为了验证本发明储能变流器控积分型快速非奇异自适应超螺旋滑模控制方法的可行性，在Matlab/Simulink平台中搭建的并网逆变器模型中，在本发明的控制方法和传统PI控制两种控制下，当有功功率发生突变，在0.2s时由稳定运行的输出35kW突增为75kW，对应的三相电流的幅值由51.3A突增为150.2A；在0.3s时由75kW突降为35kW，对应的三相电流的幅值由150.2A突降为51.3A，由此引起的三相逆变器交流侧输出三相电流的动态响应。
[0166] 如图4所示，为传统PI控制下，当id发生突变时，对iq的交叉耦合影响仿真。可以看出在0.2s时id发生突增，由于耦合影响iq有27.5A的超调；在0.3s时id发生突减，iq有29.5A的超调。如图5所示，为本发明控制下，当id发生突变时，对iq的交叉耦合影响。从图中可以看出在0.2s时id发生突增，iq仅有8.5A的超调，且稳定速度很快；对比可知，本发明控制对于d、q轴电流解耦效果明显，能够对扰动更快的进行控制，最终达到稳定。
[0167] 为了验证本发明所设计控制方法的有效性，在硬件在环(Hardware‑In‑the‑Loop,HIL)实验平台中搭建仿真电路，并和传统PI控制策略进行对比分析，定义电压和电流方向一致时功率为正，仿真参数设置如表1所示。
[0168] 表1电路参数
[0169] 参数 数值电网电压幅值e 311V
直流母线电压Udc 800V
滤波电感L 0.5mH
滤波电容C 50μF
电感寄生电阻R 0.01Ω
直流稳压电容Cdc 2.2mF
负载功率 35kW‑75kW
电池端电压vbat 400V
[0170] 本发明针对传统干扰状态观测器其精确度不高的问题提出解决方法，设计了超螺旋干扰观测器，采用超螺旋算法准确估计三相逆变器系统的外部变化和内部参数的扰动和不确定性信息。采用积分型快速非奇异自适应超螺旋滑模控制方法，该控制器对抖振问题进行削弱，超螺旋滑模控制算法的控制增益参数设计依赖于干扰和不确定性的边界信息，获取这些信息在实际情况中相对困难。自适应增益可以使得控制增益自适应调整进而保证系统的稳定性和鲁棒性。
[0171] 由图6可知，当储能变流器输出有功功率从35kW突增为75kw时，id从60A跳变至152A。在PI控制策略下从35kW跳变至75kW时的过渡时间为14.3ms。功率突增产生的跳变产生了一定的超调量，另外由于功率之间存在的耦合性使得在有功功率突变时也引起了无功功率的暂态过程，如图6中框出部分。由图7可知在本发明的控制方法下，变流器输出有功功率从30kW跳变到75kw时，因功率突增产生的跳变的过渡时间为10.6ms，且稳态运行时电流值的波动比PI控制的波动小。
[0172] 由图8可知，当储能变流器输出有功功率从75kW跳变到35kW时，id从152A跳变至60A。在PI控制策略下从75kW跳变至35kW时的过渡时间为28ms。功率突减产生的跳变产生了一定的超调量，另外由于功率之间存在的耦合性使得在有功功率突变时也引起了无功功率的暂态过程，如图8中框出部分。图9可知在本发明的控制方法下，变流器输出有功功率从
75kW跳变到35kw时，功率突减产生的跳变的过渡时间为9.8ms，且稳态运行时电流值的波动比PI控制的波动小。
[0173] 为了验证本发明的控制方法对逆变器输出电流的电能质量的影响，在Matlab/Simulink软件中对逆变器输出有功功率在30kW时的并网电流进行了2个稳态周期的傅里叶分析。如图10所示，为传统PI控制下储能变流器并网电流的谐波分析，THD为4.18％。图11所示为本发明控制下储能变流器并网电流的谐波分析，THD为1.59％。对比可知，本发明控制具有更强的谐波抑制能力，提高了并网的电能质量。
[0174] 综上，本发明储能变流器控积分型快速非奇异自适应超螺旋滑模控制方法，有效解决了变流器在工作模式中受到的外部扰动和电流内环存在的耦合影响，提高了逆变器收扰时的控制精度和收敛速度，本发明具有良好鲁棒性，可有效改善电网电能质量。
