自抗扰控制技术在光伏并网系统中的应用常光灿

自抗扰控制技术在光伏并网系统中的应用常光灿

常光灿

(安徽广远电器有限公司247100)

摘要：自抗扰控制器针对系统的非线性、不确定性，大干扰具有很强的鲁棒性和适应性。在分析两级式光伏并网系统原理和特性的基础上，建立了两级式光伏并网系统数学模型，并将自抗扰控制技术引入两级式光伏并网系统的控制中，针对电压环进行了自抗扰控制器的设计。将环境变化、电网波动、外界干扰等不确定因素看作系统的不确定性，并通过渐进结构优化法(EvolutionaryStructuralOptimiza-tion，ESO)对不确定性动态补偿。最后给出了仿真分析，仿真结果验证了所设计的自抗扰控制器的有效性。

关键词：自抗扰控制技术；光伏并网系统；应用

前言：光伏并网系统是一个非线性、多干扰的复杂系统，光伏发电的质量和效率受电网波动、环境干扰、模型不确定性等因素的影响。在分析光伏并网系统工作原理和特性的基础上，将自抗扰控制技术应用到两级式光伏并网系统的控制中。控制系统采用双环控制策略，采用自抗扰控制技术设计了直流母线电压外环，用以保证直流母线侧电压的稳定，内环电流环采用PID控制器控制技术，用于实现逆变。为了验证所设计的控制算法的有效性，基于MATLAB/Simulink给出了仿真验证，仿真结果表明所设计的控制器能有效提高光伏并网系统的控制性能。

1ADRC基本原理

ADRC是在经典PID控制技术的基础上，利用现代控制理论，运用计算机仿真实验结果归纳和综合中探索出来的，是不依赖于被控对象精确模型的、能够替代PID控制技术的、新型的实用数字控制技术。ADRC由跟踪微分器（trackingdifferentiator,TD）、ESO和非线性状态误差反馈律（nonlinearstateerrorfeedback,NLSEF）三部分构成．设有未知外扰作用的不确定单输入单输出受控对象：

其中，ｆ（x，x，…，x（ｎ－１），ω（t））为存在外扰的未知函数，ω（t）为未知外扰，ｘ（t）为被控量，ｕ为控制量。ADRC利用ＴＤ为指令输入安排过渡过程，得到柔化后的输入信号，提高控制器的鲁棒性，并提取其微分信号；利用ESO不仅能估计出系统的状态量，还能实时估计由于模型不确定引起的内部扰动和环境引起的外部扰动等构成的“总和扰动”；应用NLSEF将TD的输出与系统状态估计值之间的误差通过非线性组合构成初始的控制量；加入对ESO估计出的“总和扰动”的补偿，得到最终的控制量。ESO是整个ADRC方法的核心，作为一个动态过程，它只用了原对象的“输入—输出”信息，没有用到描述对象传递关系的函数的其他信息，其结构如图1所示

图1：ESO结构图

当系统存在不确定性和外部扰动时，通过ESO能够将“总和扰动”的实时值估计出来，并在后续控制中给予补偿．也正是因为ESO可以实现“模型和未知外扰补偿”，使得其在不确定受控对象控制器设计中得到广泛应用．但是传统ESO为李雅普诺夫意义下的渐近稳定，收敛速度无法保证，尤其在应对快时变干扰时不能快速地实现状态和误差的估计．因此在应对诸如飞行器等需要快速抵消扰动的系统时，不能满足系统快速反应的要求。

2自抗扰控制关键技术

（一）安排过渡过程传统的PID受到当时科学技术水平的限制，直接提取受控目标与系统输出的误差，这样会导致比较大的超调，所以对误差的提取相对不是很合理。为了解决这个问题，相关的学者通过研究后提出了一些看法，对输入量进行了处理，让输入量缓慢的增大，使输入量与输出量的差值很小，这样便可使系统无超调地达到稳态，解决了PID快速性与超调之间的矛盾，这个针对控制输入量的处理过程称为安排过渡过程。

（二）微分信号的提取若PID控制器的输入信号中含有噪声，则通过传统PID微分环节对误差微分的提取后，PID的微分器会导致噪声的放大。为了解决这个问题，相关的研究学者提出了跟踪微分(TD)的概念。

如果利用微分近似公式:

实现微分的话，会产生噪声放大效应，导致微分结果不准确。假如我们使用微分近似公式：

则可以用传递函数：

来实现微分，这样便可有效降低噪声放大效应。这些微分功能的实现都是靠“尽可能快”地跟踪输入信号方式实现的，能否把“尽可能快”改变成“最快”跟踪输入信号的方法来提炼微分信号呢？这就产生了如下“非线性跟踪微分器”。二阶微分器串联型系统的最速反馈闭环系统如下式子所示：

送入输入信号可以表示为：

从而变量x1（t）将在加速度r的限制下“最快”地跟踪输入信号u（t），x2（t）是x1（t）的微分，由于函数的Bang-Bang特性，在系统进入稳定状态时会产生颤振现象，为了避免产生这个不良现象，对离散系统。推导出最速综合函数fhan(x1,x2,r,h)，其具体表达式为：

利用该函数建立离散最速反馈系统为：

。

（三）应用非线性组合借助“安排过渡过程”和“跟踪微分器”两个手段，可以产生过渡过程的误差信号e1=u1-x1和误差微分信号e2=u2-x2，从而生成误差积分信号e0，可以实现PID控制。为了克服该线性组合的不足之处，故采用非线性组合的方式：

其中，非线性组合包含许多智能性功能，如“小误差大增益，大误差小增益”等工程实践中总结出来的经验功能，这些用非线性组合是很容易实现的。

（四）扩张状态观测器对二阶被控对象：其中，w(t)是外部扰动，将过程中的表现量当做未知的被扩张的状态变量，那么系统转变成线性系统：

对该系统建立状态观测器：

如果函数f(x1,x2,w(t),t)在系统输入u(t)的作用下，没有激烈的过程变化，那么适当选取参数β01,β02,β03，该观测器各个状态变量将会很好地跟踪原系统的状态变量。为了消除观测器方程中的未知函数w0(t)，采用非线性效应改造观测器方程为：

如图2所示，ADRC主要由安排过渡过程，TD（跟踪微分器），ESO（扩张状态观测器）和NLC（非线性组合器）4个基础部分组成。ADRC借用状态观测器的思想，把能够影响被控输出的扰动作用扩张成新的状态变量，用特殊的反馈机制来建立能够观测被扩张的状态———扰动作用的扩张状态观测器。从某种意义上讲，扩张状态观测器是通用而且很实用的扰动观测器。

图2：ADRC结构图

3光伏并网系统的关键技术

3.1并网逆变器控制技术

在光伏发电并网系统工程中,并网逆变器是实现其与电网系统相连的关键设备。并网逆变器控制装置主要利用PID控制方法,即采取电流控制,从而确保光伏并网系统电流与电力系统保持一致,达到了统一控制的目的。PID控制技术保证了光伏并网发电过程的动态化运行,为内部电流的持续传送提供了保障。除此之外,PID控制技术还使系统电压能维持稳定性,促进形成光伏并网发电系统产生最佳功率。

3.2最大功率点跟踪技术

最大功率点跟踪技术是光伏并网发电系统的一项调节性技术,会对发电运行产生直接影响。这一技术根据其环境特点,结合当时气候条件进行并网调节。依据具体状况绘制过程图,从而参考这些数据信息对光伏并网发电系统的功率现状进行追踪。

3.3并网技术

并网技术主要考虑电网运行需求,采用10KV高压并网或380V低压并网,依据接入点距离进行并网点个数和分布的确定;结合发电项目的投资收益率确定选用固定角度或自动跟踪旋转角度的功率追踪器支架;通过对用电分布时间段、电费峰平谷价格的分析,确定蓄电池组的应用。

4自抗控制技术在光伏并网系统中的应用

4.1二阶线性自抗扰控制器的设计

设有如下二阶系统：

其中，f(t，y，y·，ω)为未知函数，ω(t)为未知总扰动，b为控制增益，u(t)为控制输入。设y=x，x·=x2，x2=a(t)=f(x，t)+ω(t)，则可将上式进一步表示为:

其中，b≈b0，h=f·。于是可构建如下扩张状态观测器:

其中，z1为x1的估计值，z2为x2的估计值，z3为f(t，y，y·，ω)的估计值。β1，β2，β3为系统可调参数。其中，β1=3ω0，β2=3ω02，β3=ω03，ω0为观测器带宽。于是，二阶线性自抗扰控制器可设计为:

其中，kp=ωc2，kd=2ωc，ωc为控制器带宽二阶二阶线性自抗扰控制器结构原理图如图3所示。

图3：二阶线性自抗扰控制器结构图

由图3可以发现:线性自抗扰控制器(LADＲC)结构更简单，可调参数更少，更易实现。

4.2线性自抗扰控制器在光伏并网系统中的应用

在研究的光伏并网系统采用双环控制策略，即电压采用自抗扰控制器，保证直流母线电压的稳定输出，电流环采用传统的PID控制算法。在电压环LADＲC设计中，udc作为自抗扰控制器的输入信号，id为控制输入，即内环电流的参考输入iref，udc和id可以通过测量得到，于是LADＲC可设计为:

线性控制律设计为:

具体控制原理:首先将光伏阵列最大功率输出时的对应的直流母线参考电压uref与实际直流母线电压udc进行对比，其误差信号经自抗扰控制处理后得到内环电流环的参考输入电流iref，is与实际输出电流比较后，误差信号经PID控制器处理后与电网实际电压叠加，叠加信号经PWM产生调制信号，从而实现对逆变器的控制。基于自抗扰的两级式光伏并网系统控制原理图如图4所示。

图4：基于自抗扰的两级式光伏并网系统控制原理图

5结语：自抗扰控制密切结合光伏并网系统，不依赖被控对象数学模型，无须测量系统的扰动，算法便于实现，并且所设计出来的控制系统具有良好的性能鲁棒性，已经在光伏并网系统、电机调速系统、飞行器姿态控制、精密机械加工、运动控制以及现代武器系统等领域得到推广应用，取得了显著的社会经济效益，证明了自抗扰控制技术具有很高的实用价值。

参考文献：

[1]王海彪.光伏发电并网控制策略研究[D].长春工业大学,2017.

[2]赵昕.自抗扰控制在光伏并网发电系统低电压穿越中的应用研究[D].兰州理工大学,2017.

[3]李媛.规模化光伏并网对系统稳定性影响及应对措施研究[D].华北电力大学,2017.

[4]吴毅.基于光伏并网系统中储能机硬件电路的设计与开发[D].苏州大学,2017.

[5]赵昕.自抗扰控制在光伏并网发电系统低电压穿越中的应用研究[D].兰州理工大学,2017.

[6]谭继鹏.基于FPGA的自抗扰控制在并网逆变器的研究与实现[D].华北电力大学,2017.

[7]何国锋,韩耀飞,赵庆玉,申慧方,樊晓虹,余发山.基于线性自抗扰光伏逆变器的并网电流控制研究[J].可再生能源,2018,36(07):1017-1021.

[8]蔡斌军,朱建林.光伏并网逆变器的自抗扰电流跟踪控制[J].电力自动化设备,2012,32(03):104-108.