一种孤岛微网中并联逆变器系统鲁棒控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子控制技术领域，具体涉及一种孤岛微网中并联逆变器系统鲁棒控制方法。

背景技术

低碳能源发展逐渐成为各国积极发展之目标，发展可再生能源是解决能源短缺的方法之一。结合再生能源发电的微电网发展已成为目前热门研究主题之一。微电网属于分散式发电系统，系统利用再生能源协助供电达到环保效益，其主要功能在于当电力公司系统发电量不足或故障时，独立供电提供负载的紧急用电，称为孤岛微网。再生能源输出的电力不稳定，且部分再生能源输出电压(例如太阳能发电)为直流电源，因此再生能源发电输出电力，无法直接应用于微电网。需通过使用电力电子领域的逆变器来实现。但单个逆变器模块由于开关元件的耐压、耐流量和散热等问题，在大功率应用中受元件特性的制约；另外依赖于单个逆变器模块的系统，当发生故障时，没有其他逆变器来分担系统的功率，从而使系统不能工作，采用多台电压源型逆变器并联可以使微型电网具有更好的冗余性、稳定性和可靠性而成为近年来研究的热点。另一方面，未来再生能源多样化，各式不同功能的逆变器势必将加入微电网。具有鲁棒性强的输出电压调节、各逆变器间的功率/电流均衡控制的并联控制技术对并联逆变器系统的稳定运行尤为重要。

通讯线在智能微网中的应用是不可避免的，现代通信技术在智能微网中的发展，使得有线并联控制具有可行性，其中应用最广泛的是主从控制方式。主从控制将一个逆变器当作主模块，控制其输出电压，而其它逆变器模块则当从模块，控制其输出电流，达到快速的电压调节和精确的电流均匀分配，在主从控制理论中各种闭回路控制法用来对输出电压及电感电流进行控制。常规并联逆变器系统主从控制方式下，控制器基于各自逆变器的数学模型单独设计，可以满足其在独立运行时的稳定性要求，而并联运行时控制性能可能会下降甚至不稳定。为了保证并联逆变器系统的稳定性，本发明将所有逆变器看作一个整体，建立其完整的动态模型，选择并联系统的输出电压及每个从逆变器的滤波电感电流作为系统状态，设计并联系统的控制器。此外，在微网系统中，再生能源输出直流电压通常不稳定，从而使得并联运行的逆变器直流输入电压存在波动；另外元件参数很难和标称值完全一致，使得逆变器电路参数存在摄动；在微网运行过程中负载扰动频繁；同时，当从逆变器单元发生故障时，从系统中切除，故障修复后重新接入微网系统，这些都使得并联逆变器系统具有不确定性的扰动。此外逆变器中电力开关动作使得系统具有高度的非线性。因此设计对并联逆变器系统的不确定性具有鲁棒性的控制方案是非常重要的。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种孤岛微网中并联逆变器系统鲁棒控制方法，将所有逆变器看作一个整体，建立其完整的动态数学模型，设计积分型全域滑模面向量，设计系统不确定性的自适应观测器构成自适应积分型全域滑模控制器(AITSMC)，有效提高并联逆变器系统对不确定性的鲁棒性，保证并联逆变器系统在不确定性存在的情况下也能够输出高质量的终端电压，及逆变器之间高精度的电流分配。

技术方案：本发明提供了一种孤岛微网中并联逆变器系统鲁棒控制方法，所述方法基于并联逆变器系统，所述并联逆变器系统包括1个主逆变器，n-1个从逆变器，其均并联连接，包括如下步骤：

S1：将所有逆变器看作一个整体，建立其完整的动态模型，选择并联逆变器系统公共耦合点(PCC)的输出电压v

S2：定义电压跟踪误差e

S3：设计自适应控制率估计并联逆变器系统中存在的不确定性问题的边界值，基于李雅普诺夫稳定性定理和投影定理设计自适应约束控制律向量u

S4：基本控制律向量u

S5：每个逆变器的控制律作为SPWM调制策略的调制信号，得到每个逆变器的开关控制信号。

进一步地，所述并联逆变器系统整体的动态模型为：

其中，L

进一步地，所述S1中系统的数学模型考虑系统不确定性可以分成额定部分和不确定部分，所述考虑系统不确定性的并联逆变器系统的数学模型可表示为：

其中，x＝[v

则并联逆变器系统的不确定性向量为：

所述不确定性向量的边界值‖ψ||

进一步地，所述S2中积分型全域滑模面向量为：

其中，

进一步地，所述S2中设计积分型全域滑模控制的基本控制律向量u

进一步地，所述S3中积分型全域滑模控制的自适应基本控制律向量u

其中，sgn(·)为符号函数，K

进一步地，所述S4中积分型全域滑模控制的自适应约束控制律向量u

u

其中，u

进一步地，所述S3中并联逆变器系统不确定性包括系统中的非线性、内部参数、外部扰动及系统结构变化。

有益效果：

(1)本发明将并联的所有逆变器看作一个整体，建立包含1个主逆变器带n-1个从逆变器的并联逆变器系统完整的动态模型，以保证整个并联逆变器系统的稳定性。

(2)本发明考虑并联逆变器系统中存在的非线性、内部参数、外部扰动及系统结构变化的不确定性问题，设计积分型全域滑模面向量，提高暂态性能的同时消除到达阶段，从而保证系统具有全域鲁棒性。

(3)本发明设计自适应观测器构成自适应积分型全域滑模控制结构以克服积分型全域滑模控制对系统详细动态信息及系统不确定性边界值的依赖，并减小并联逆变器系统的抖震现象，有效提高并联逆变器系统对系统参数不确定性及结构不确定性的全局鲁棒性，保证并联逆变器系统在不确定性存在的情况下也能够输出高质量的终端电压，保证逆变器之间高精度的电流分配。

附图说明

图1为主从均流策略下的孤岛微网并联逆变器系统结构图；

图2为自适应积分型全域滑模控制(AITSMC)系统的方框图；

图3为PI控制下并联逆变器系统负载由1kW卸载至500W时输出电压及各变流器的滤波电感电流波形；

图4为本发明设计的自适应积分型全域滑模控制(AITSMC)控制下并联逆变器系统负载由1kW卸载至500W时输出电压及各变流器的滤波电感电流波形；

图5为PI控制下从逆变器并入主逆变器时输出电压及各变流器的滤波电感电流波形；

图6为本发明设计的自适应积分型全域滑模控制(AITSMC)控制下从逆变器并入主逆变器时输出电压及各变流器的滤波电感电流波形；

图7为PI控制下并联逆变器系统电流分配比例由1:1变换到1:2时输出电压及各变流器的滤波电感电流波形；

图8为本发明设计的自适应积分型全域滑模控制(AITSMC)控制下并联逆变器系统电流分配比例由1:1变换到1:2时输出电压及各变流器的滤波电感电流波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明公开了一种孤岛微网中并联逆变器系统鲁棒控制方法，参照图1所示的孤岛微网并联逆变器包含n个PWM逆变器。并联逆变器系统包含1个主逆变器和n-1个从逆变器。其中主逆变器包含一个有四个电力开关管(T

参照图2，本实施例提供的自适应积分型全域滑模控制(AITSMC)系统包括积分型全域滑模面向量，基本控制律向量及自适应约束控制律三部分。霍尔电压传感器检测输出电压信号与电压给定性信号相减得到电压跟踪误差信号，每个从逆变的电流给定信号设定为

步骤1：选择并联逆变器系统公共耦合点(PCC)的输出电压v

步骤1.1：构建并联逆变器系统整体的数学模型：

为了保证并联逆变器系统的稳定性，计及从逆变器模块对主逆变器模块的影响，将并联的所有逆变器看作一个整体，建立包含1个主逆变器，n-1个从逆变器的并联逆变器系统完整的动态模型；

其中，L

步骤1.2：构建考虑系统不确定性的并联逆变器系统整体的数学模型：

系统数学模型考虑系统不确定性可以分成额定部分和不确定部分，并联逆变器系统数学模型可表示为：

其中，x＝[v

定义并联逆变器系统的不确定性向量

所述不确定性向量的边界值‖ψ||

步骤2：设计孤岛运行微网中并联逆变器系统的自适应积分型全域滑模控制器：

步骤2.1：设计积分型全域滑模面向量：

为了实现并联逆变器输出电压跟踪控制及并联逆变间的电流均分(按比例均分)控制，定义输出电压误差信号

其中，

步骤2.2：设计并联逆变器系统的额定数学模型下的基本控制律向量u

对滑模面向量求导，并将公式(1)所示的并联逆变器系统的额定数学模型带入，可得

步骤2.3：考虑系统的不确定性，设计并联逆变器系统的自适应约束控制律向量u

其中，sgn(·)为符号函数，K

本发明所设计积分型全域滑模控制的自适应控制律向量u

如果公式(2)所示的并联逆变器系统由控制律u

定义估算误差

只要ρ＞||ψ||

由公式(8)可以看出AITSMC系统的李雅普诺夫函数V

定义函数

由于V

则

对本发明实施例提供的方法的效果在两个并联逆变器器单元(一个主逆变器带一个从逆变器)的并联逆变器系统中进行测试分析：

图3、图4为并联逆变器系统负载由1kW卸载至500W时，本发明所提出一种孤岛微网中并联逆变器系统鲁棒控制方法与PI控制方法下，系统输出电压及各变流器的滤波电感电流波形对比，对比仿真实验结果可得：本发明所提出的控制方法在稳态时可以消除PI控制的稳态误差，输出电压的总谐波畸变率(THD)值提高81.2％，电流分配精度上正规化均方误差(NMSE)值提高97.8％；本发明所提出的控制方法在加载情况过渡过程少，超调小且消除暂态调节过程的抖震。

图5、图6为从逆变器并入主逆变器时，本发明所提出一种孤岛微网中并联逆变器系统鲁棒控制方法与PI控制方法下，系统输出电压及各变流器的滤波电感电流波形对比，对比仿真实验结果可得：本发明所提出的控制方法在从逆变器接入时对并联逆变器系统输出电压的影响减小，且电流分配调节过程减小，相比PI控制方法鲁棒性明显提高。

图7、图8为并联逆变器系统的电流分配比例由1:1变换到1:2时，本发明所提出一种孤岛微网中并联逆变器系统鲁棒控制方法与PI控制方法下，系统输出电压及各变流器的滤波电感电流波形对比，对比仿真实验结果可得：本发明所提出的控制方法可以在线改变电流分配比例的同时也能保证并联逆变器高质量的输出电压。

本发明实施例提供的一种孤岛微网中并联逆变器系统鲁棒控制方法，构建整个并联逆变器系统的数学模型；设计积分型全域滑模面，结合并联逆变器系统的额定数学模型获取基本控制律向量u

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。