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        含模型協(xié)同補(bǔ)償?shù)奈㈦娋W(wǎng)變換器自抗擾穩(wěn)壓控制

        2024-09-03 00:00:00周雪松景亞楠趙浛宇趙明王博楊清
        太陽(yáng)能學(xué)報(bào) 2024年7期
        關(guān)鍵詞:微電網(wǎng)

        摘 要:針對(duì)直流微電網(wǎng)中雙向DC-DC變換器輸出端口電壓受擾不穩(wěn)定的問(wèn)題,提出一種含已知擾動(dòng)模型描述和未知擾動(dòng)二階描述協(xié)同補(bǔ)償?shù)木€性自抗擾控制策略,以減小線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)的觀測(cè)負(fù)擔(dān)、提高其觀測(cè)精度,并進(jìn)一步改善自抗擾控制系統(tǒng)的抗擾性能。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)性能的理論分析,說(shuō)明了該控制策略能改善電壓受擾波動(dòng)的原因。最后,通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比說(shuō)明改進(jìn)型自抗擾控制系統(tǒng)在抗擾性、魯棒性上均優(yōu)于電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的PI控制以及傳統(tǒng)自抗擾控制。

        關(guān)鍵詞:微電網(wǎng);DC-DC變換器;抗擾;自抗擾控制;模型補(bǔ)償

        中圖分類(lèi)號(hào):TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        0 引 言

        實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)必伴隨著強(qiáng)隨機(jī)性、波動(dòng)性的新能源大規(guī)模并網(wǎng),電力系統(tǒng)也將呈現(xiàn)高比例新能源、高比例電力電子化的“雙高”特點(diǎn)。微電網(wǎng)(micro-grid,MG)以可消納新能源并含大量電力電子器件的特性得到廣泛關(guān)注[1],其中直流微電網(wǎng)因無(wú)需考慮系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)功功率及頻率平衡和穩(wěn)定的問(wèn)題而發(fā)展迅速[2-3]。在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中,通過(guò)調(diào)控連接儲(chǔ)能單元、新能源發(fā)電單元與直流母線側(cè)的雙向直-直變換器(bi-directional DC-DC converter, BDC)的工作模式,可有效抑制電壓的波動(dòng),提高直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性[4],因此穩(wěn)定且快速地控制BDC 電路非常重要。

        但由于BDC 電路中含有半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件以及噪聲等因素使其具備強(qiáng)非線性[5],自抗擾控制(active disturbancerejection control, ADRC)因在參數(shù)攝動(dòng)下表現(xiàn)出強(qiáng)抗擾、強(qiáng)魯棒以及快速平抑非線性系統(tǒng)波動(dòng)等優(yōu)良性能,被廣泛應(yīng)用于BDC 電路的控制中。其主要組成部分有:跟蹤- 微分器(tracking differentiator, TD)、線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(linearextended state observer, LESO)、線性狀態(tài)誤差反饋控制律(linear state error feedback, LSEF),核心理念是利用LESO 在MG 控制系統(tǒng)輸出有明顯擾動(dòng)影響之前實(shí)時(shí)觀測(cè)出系統(tǒng)中的總和擾動(dòng)信息,并利用LSEF 對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,從而提高系統(tǒng)的抗擾性和快速性[6]。

        LESO 對(duì)于系統(tǒng)總和擾動(dòng)的估計(jì)精度越高時(shí),LADRC 的控制效果越好[7]。實(shí)際中,控制系統(tǒng)因擾動(dòng)項(xiàng)過(guò)多、負(fù)載模型不確定等干擾致使LESO 對(duì)狀態(tài)變量觀測(cè)性能不佳,從而影響ADRC 的控制效果。針對(duì)上述問(wèn)題,文獻(xiàn)[8]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及積分全階終端滑??刂?,提高了系統(tǒng)收斂的快速性,但這種方法因參數(shù)整定復(fù)雜在工程上應(yīng)用較為局限;文獻(xiàn)[9]通過(guò)將一種前饋控制整合到控制器中來(lái)抑制系統(tǒng)中的各種擾動(dòng),但該控制方式對(duì)新增的傳感器要求較高,前饋控制效果容易受到設(shè)備精度影響;文獻(xiàn)[10]提出一種滑膜自抗擾控制策略,實(shí)現(xiàn)對(duì)各自由度的解耦控制,改善了系統(tǒng)的抗擾能力,但滑模控制會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜性以及物理模型搭建難度;文獻(xiàn)[11]在自抗擾控制的基礎(chǔ)上加入模型信息進(jìn)行輔助,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該控制策略使系統(tǒng)抗干擾性以及響應(yīng)快速性有了顯著提升。

        針對(duì)上述LESO 觀測(cè)負(fù)擔(dān)重以及觀測(cè)效果問(wèn)題,本文提出一種含模型協(xié)同補(bǔ)償?shù)淖钥箶_控制策略(LADRC withmodel collaborative compensation,MCC_LADRC)。在被控對(duì)象部分建模信息已知的情況下,充分利用系統(tǒng)的先驗(yàn)信息,而未知部分則視為擾動(dòng),將已知擾動(dòng)模型信息及對(duì)模型信息補(bǔ)償后的總和擾動(dòng)二階描述協(xié)同補(bǔ)償入控制器中,實(shí)現(xiàn)LESO 觀測(cè)負(fù)擔(dān)的降低和估計(jì)精度的提高。最后,在多種工況下對(duì)MCC_LADRC 與電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的PI 控制以及傳統(tǒng) LADRC 控制進(jìn)行比較,結(jié)果表明,上述控制策略不僅提高了LESO 的估計(jì)精度,而且有效降低了其觀測(cè)負(fù)擔(dān),提高了自抗擾控制系統(tǒng)的抗擾性能和魯棒性能。

        1 直流微電網(wǎng)中BDC電路概述

        典型直流微電網(wǎng)新能源發(fā)電單元中的光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示,雙向DC-DC 變換器被廣泛應(yīng)用其中,是連接直流母線和儲(chǔ)能介質(zhì)的重要橋梁[12]。

        由圖6a 可看出,改變觀測(cè)器增益可增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)低中頻噪聲的抑制性能,且基本不影響高頻帶增益,說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)于輸入測(cè)高頻等效噪聲的抑制性能基本保持不變,所以MCC_LESO 對(duì)輸入端噪聲擾動(dòng)具有良好的抑制能力。由圖6b可看出,調(diào)節(jié)觀測(cè)器增益可顯著降低幅值增益,降低系統(tǒng)對(duì)高頻噪聲的敏感程度,因此可顯著減弱高頻噪聲對(duì)于系統(tǒng)的干擾影響。

        4.6 擾動(dòng)抑制性能分析

        根據(jù)控制系統(tǒng)描述式(14)將被控對(duì)象表示為:

        y = 1/s2 ( f +b0u) (47)

        結(jié)合式(26)、式(47)將控制系統(tǒng)中的被控對(duì)象進(jìn)行含擾等效變換,控制系統(tǒng)的含擾等效結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

        根據(jù)圖7 得到改進(jìn)ADRC 系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)總擾動(dòng)之間的傳遞函數(shù):

        用同樣的方法得到傳統(tǒng)ADRC 控制下的系統(tǒng)輸出與總擾動(dòng)之間的傳遞函數(shù):

        繪制兩種控制系統(tǒng)擾動(dòng)項(xiàng)的頻率特性曲線如圖8 所示。由圖8 可看出,MCC_LADR 相較于傳統(tǒng)LADRC,等效總擾動(dòng)對(duì)于系統(tǒng)輸出的影響幅值增益更小,即擾動(dòng)項(xiàng)對(duì)改進(jìn)型系統(tǒng)的輸出影響更小,體現(xiàn)出改進(jìn)型ADRC 更優(yōu)的擾動(dòng)抑制性能。

        5 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        5.1 仿真驗(yàn)證

        利用雙閉環(huán)PI 控制、傳統(tǒng)LADRC、MCC_LADRC 這3 種控制策略對(duì)直流微電網(wǎng)中的Buck 變換器進(jìn)行控制,其各部分參數(shù)如表1 所示。

        根據(jù)環(huán)路法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)PI 控制的參數(shù)為:kp1=0.0015、ki1=4.5611、kp2=0.0083、ki2=2.00134;在保證帶寬ωc=9×105、ωo=2.7×106 一致的基礎(chǔ)上,根據(jù)帶寬法設(shè)計(jì)傳統(tǒng)LADRC 參數(shù)為:βc1 =8.1×106、βc2 =2.187×1013、βc3 =1.9683×1019;根據(jù)3.2節(jié)參數(shù)整定方法設(shè)計(jì)MCC_LADRC 參數(shù)為:βm1 =10799333、βm2 =4.3733×1013、βm3 =7.8732×1019、βm4 =5.31441×1025。

        對(duì)3 種系統(tǒng)施加相同擾動(dòng):直流母線側(cè)電壓波動(dòng)、儲(chǔ)能側(cè)負(fù)載波動(dòng),檢驗(yàn)3 種系統(tǒng)的抗擾性、魯棒性。分析4 項(xiàng)性能指標(biāo):輸出超調(diào)量σ、動(dòng)態(tài)波動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間ts、紋波Vr、復(fù)合誤差平方積分值(composite working condition integral of squareerror,CISE)。

        5.1.1 直流母線側(cè)電壓突變

        由圖9、表2 分析得:當(dāng)面對(duì)母線電壓突變時(shí), 傳統(tǒng)LADRC 在σ、ts、CISE 指標(biāo)方面均優(yōu)于雙閉環(huán)PI 控制系統(tǒng),但紋波指標(biāo)略大于雙閉環(huán)PI 控制。而改進(jìn)型LADRC 在傳統(tǒng)LADRC 基礎(chǔ)上,將模型協(xié)同補(bǔ)償量加入控制量中,使得其能夠更加精準(zhǔn)且快速地觀測(cè)到系統(tǒng)擾動(dòng)信息,優(yōu)化了觀測(cè)和補(bǔ)償擾動(dòng)的性能,因此輸出波動(dòng)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、紋波以及CISE指標(biāo)均低于雙閉環(huán)PI 控制和傳統(tǒng)LADRC 控制,表現(xiàn)出更好的穩(wěn)壓性能。

        5.1.2 儲(chǔ)能側(cè)負(fù)載突變

        由圖10、表3 分析得:從4 項(xiàng)性能指標(biāo)橫向比較3 種控制系統(tǒng)可明顯看出雙閉環(huán)PI 控制對(duì)于儲(chǔ)能側(cè)的負(fù)載擾動(dòng)有更為明顯的波動(dòng),而傳統(tǒng)LADRC 控制和改進(jìn)型LADRC 的波動(dòng)幅值與調(diào)節(jié)時(shí)間均要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI 控制。對(duì)比表中傳統(tǒng)LADRC 與改進(jìn)型LADRC 的抗擾效果,MCC_LADRC 控制的波動(dòng)幅值明顯小于傳統(tǒng)LADRC 控制,調(diào)節(jié)時(shí)間、紋波數(shù)值和CISE 指標(biāo)均比傳統(tǒng)LADRC 控制小,由此可看出面對(duì)負(fù)載側(cè)擾動(dòng)時(shí),改進(jìn)型控制系統(tǒng)可保持更佳的穩(wěn)定性和抗擾特性。

        5.1.3 魯棒性能對(duì)比分析

        3 種控制方式下,系統(tǒng)運(yùn)行外部狀態(tài)未受到負(fù)載變化、母線電壓波動(dòng)等外部擾動(dòng)的情況下,且保持觀測(cè)器以及LAEF環(huán)節(jié)增益不變,對(duì)被控對(duì)象模型中的模型參數(shù)(電感參數(shù)、電容參數(shù))在標(biāo)稱(chēng)值±20%內(nèi)進(jìn)行均勻變化,觀察系統(tǒng)的響應(yīng)。對(duì)于3 種控制系統(tǒng)均進(jìn)行20 次重復(fù)對(duì)比實(shí)驗(yàn),記錄3 種控制系統(tǒng)的CISE 指標(biāo)和DCISE(CISE distribution,DISE)指標(biāo)。DCISE 指標(biāo)描述每組CISE 指標(biāo)與該組CISE 指標(biāo)均值的差值,反映了CISE 指標(biāo)的分布情況。將抗擾CISE 指標(biāo)作為橫軸,抗擾DCISE 指標(biāo)作為縱軸,表征控制性能的指標(biāo)點(diǎn)之間距離越小表明系統(tǒng)魯棒效果越強(qiáng),整體指標(biāo)點(diǎn)距離零點(diǎn)越近表明擾動(dòng)抑制性能越優(yōu)。3 種控制系統(tǒng)的性能分布如圖11 所示。

        由圖11 可知,將被控對(duì)象的參數(shù)在設(shè)定值±20% 進(jìn)行改變后,20 組伴隨著參數(shù)攝動(dòng)的被控對(duì)象能在LADRC 的控制下以較快的速度下跟蹤信號(hào),且能保持較好的性能指標(biāo)。而改進(jìn)型LADRC 控制系統(tǒng)的CISE 性能指標(biāo)相比于傳統(tǒng)LADRC 控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)PI 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)分布點(diǎn)分布更為集中且更接近原點(diǎn),說(shuō)明改進(jìn)型LADRC 系統(tǒng)的魯棒性和抗擾性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)LADRC 系統(tǒng)和雙閉環(huán)PI 控制系統(tǒng)。

        5.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        為進(jìn)一步驗(yàn)證提出的改進(jìn)控制策略的有效性,搭建小電壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖12 所示進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該平臺(tái)由混合儲(chǔ)能單元、上位機(jī)、電子負(fù)載和負(fù)載接口雙向DC-DC 變換器組成,采用可編程電源取代混合儲(chǔ)能單元,實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4 所示。在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)可編程電源和電子負(fù)載設(shè)計(jì)模擬了電壓突增、電壓突降、負(fù)載突增、負(fù)載突降4 種擾動(dòng)對(duì)比測(cè)試雙閉環(huán)PI 控制以及MCC_LADRC 控制策略的性能。

        將雙閉環(huán)PI 控制策略與MCC_LADRC 控制策略進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),并使用高精度探針測(cè)量控制效果記錄在示波器中,得到雙相DC-DC 變換器輸出電壓、輸出電流的實(shí)驗(yàn)曲線如圖13所示。通過(guò)2 個(gè)性能指標(biāo)橫向比較兩種控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程:動(dòng)態(tài)波動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間ts、輸出超調(diào)量σ。

        由圖13 可看出,在面對(duì)母線電壓波動(dòng)、負(fù)載變化工況時(shí),相比于雙閉環(huán)PI 控制,MCC_LADRC 控制策略能將輸出電壓的波動(dòng)范圍縮至更小,相對(duì)產(chǎn)生的正、負(fù)向超調(diào)幅值也更小,對(duì)于電壓波動(dòng)的抑制性能更加優(yōu)越;從動(dòng)態(tài)波動(dòng)的調(diào)節(jié)時(shí)間性能指標(biāo)來(lái)看,MCC_LADRC 控制策略在系統(tǒng)4 種擾動(dòng)工況作用下的動(dòng)態(tài)恢復(fù)過(guò)程均比雙閉環(huán)PI 控制更短,對(duì)動(dòng)態(tài)波動(dòng)的調(diào)節(jié)速度更優(yōu)。

        對(duì)比4 組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,相比于雙閉環(huán)PI 控制,MCC_LADRC 控制對(duì)電壓和負(fù)載側(cè)的擾動(dòng)具有更優(yōu)的控制速度和波動(dòng)峰值抑制效果。這表明,MCC_LADRC 控制策略可有效抑制外部干擾對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

        6 結(jié) 論

        本文以直流微電網(wǎng)中雙向DC-DC 變換器為研究對(duì)象,針對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)能側(cè)或直流母線側(cè)擾動(dòng)導(dǎo)致的變換器輸出電壓不穩(wěn)定問(wèn)題,提出一種MCC_LADRC 控制策略。該策略通過(guò)加入模型信息描述以及對(duì)擾動(dòng)項(xiàng)的二階描述來(lái)重構(gòu)LESO 模塊,并將擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器重構(gòu)后的協(xié)同補(bǔ)償輸出量加入LSEF 模塊,從而實(shí)現(xiàn)LESO 觀測(cè)性能提高的目的。繼而對(duì)MCC_LADRC 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、跟蹤性、抗擾性進(jìn)行理論分析、仿真以及實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析,結(jié)果表明該控制策略在面對(duì)儲(chǔ)能側(cè)或直流母線側(cè)擾動(dòng)時(shí),相對(duì)于雙閉環(huán)PI 控制以及傳統(tǒng)LADRC 控制,具有更好的抗擾性能以及穩(wěn)壓能力。

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