基于改进线性扩张状态观测器的逆变器并网控制方法

技术领域

本发明涉及并网逆变器控制技术领域，具体为基于改进线性扩张状态观测器的逆变器并网控制方法。

背景技术

目前，对于逆变器并网系统的抗干扰抑制策略主要分为基于内模原理和基于扰动估计的抑制策略。基于内模原理的抑制策略在控制回路中引入参考信号的内模，通过在特定频次谐波处增加其自身增益来提高系统的控制性能，比如重复控制和多比例谐振控制。而基于干扰估计的抑制策略，通过对系统的干扰量进行实时估计，最终在控制器中对干扰进行补偿，从而抵消了扰动对系统输出量的影响。如电网电压全前馈直接将测量到的电网电压全前馈至控制器中进行补偿，但在实际的工程应用中电网电压和并网系统中的一些参数较难获取，因而在无法获得系统精确模型的情况下，电网电压全前馈较难达到理想的扰动抑制效果。

基于扩张状态观测器(extended state observer，ESO)的自抗扰控制(activedisturbance rejection control，ADRC)不依赖于系统精确的数学模型，将系统中的建模误差和外部扰动作为系统的总扰动，通过扩张状态观测器进行估计，将其引入控制率中对扰动进行实时补偿，从而提高系统的抗干扰能力和动态响应能力。为解决自抗扰控制中计算复杂、参数调参困难等问题，高志强教授提出了一种线性自抗扰控制(linear activedisturbance rejection control，LADRC)，线性化的自抗扰控制更加适用于工程应用中。线性自抗扰控制采用线性误差反馈来设计控制律，当系统的参考电流为周期性信号时，并网系统在稳定后会存在一个固有的稳态误差。同时由于扩张状态观测器的估计性能会随着系统扰动频率的升高而降低，其严重影响到了系统抗干扰能力和控制性能。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了基于改进线性扩张状态观测器的逆变器并网控制方法，解决了在并网系统中传统线性扩张状态观测器对系统总扰动估计能力不足和传统的线性误差反馈控制律下系统对参考电流的跟踪效果不佳的技术问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于改进线性扩张状态观测器的逆变器并网控制方法，包括以下步骤：

S1、建立LCL并网逆变器并网模型；

S2、对线型扩张状态观测器模型进行改进，并对实际扰动进行估计；

S3、通过反步法对系统的控制率进行设计；

S4、根据系统总扰动估计误差来计算出系统跟踪误差的区间。

作为本发明的优选技术方案，所述步骤S2中的模型具体表达式如下：

其中，z

作为本发明的优选技术方案，所述扩张状态观测器模型中的并网电流I

其中，I

作为本发明的优选技术方案，所述扩张状态观测器模型中的系统总扰动f表达式如下：

其中，L

其中，z

作为本发明的优选技术方案，所述线性扩张状态观测器的观测增益β

其中，ω

作为本发明的优选技术方案，所述步骤S2中通过补偿函数对线性扩张状态观测器进行补偿，补偿函数表达式如下：

其中，s表示复变量，M

作为本发明的优选技术方案，所述步骤S2计算得出的补偿后的扰动估计量表达式如下：

z

其中，z

作为本发明的优选技术方案，所述步骤S3具体步骤如下：

S3.1、对虚拟控制量x

S3.2、根据虚拟控制量对系统跟踪误差e

作为本发明的优选技术方案，所述系统跟踪误差e

e

e

e

其中，x

其中，V

作为本发明的优选技术方案，重新计算后的所述系统跟踪误差e

其中，

与现有技术相比，本发明提供了基于改进线性扩张状态观测器的逆变器并网控制方法，具备以下有益效果：

本发明通过将电网电压所引发的干扰和系统不确定建模作为总干扰，通过改进后扩张状态观测器对其进行观测，最终在控制器中对系统的总干扰进行补偿，从而提高并网系统的抗干扰能力，同时将其与反步法设计控制律相结合来提高系统对参考电流的跟踪效果。

附图说明

图1为本发明LCL型单相并网逆变器控制结构示意图；

图2为本发明补偿函数伯德图；

图3为本发明扰动估计能力对比图；

图4为本发明改进线性扩张状态观测器的逆变器并网控制示意图；

图5为传统ESO对系统总干扰的估计示意图；

图6为考虑延时和模型补偿LESO对系统总干扰的估计示意图；

图7为本发明改进ESO对系统总干扰的估计效果和估计误差示意图；

图8为传统LADRC下对参考电流的跟踪效果和跟踪误差示意图；

图9为基于微分前馈自抗扰控制下对参考电流的跟踪效果和跟踪误差示意图；

图10为本发明参考电流的跟踪效果和跟踪误差示意图；

图11为本发明流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-11，基于改进线性扩张状态观测器的逆变器并网控制方法，包括以下步骤：

S1、对LCL并网逆变器并网模型进行建立，LCL型单相并网逆变器控制结构框图如图1所示，在图1中V

逆变器并网系统的状态方程表达式如下：

根据公式可得出并网电流I

其中，b为输入增益，f为系统总扰动，L

由上述表达式可得出，逆变器并网系统的状态空间表达式如下：

其中，x

S2、对扩张状态观测器模型进行改进，初始状态下，线性扩张状态观测器如下

z

其中，I

其中，L

在考虑延时和模型补偿后的线性扩张状态观测器，其表达式如下：

其中，z

其中，ω

虽然考虑延时和模型补偿的线性扩张状态观测器能够提高其扰动估计性能，但由于线性扩张状态观测器的扰动估计能力随着扰动频率的升高而减低，在频率为50Hz的并网系统中较难估计出系统的总扰动，因此得到扩张状态观测器总扰动估计量z

对并网电流I

由于y＝x

其中，

为了得到更为精确的扰动估计量z

其中，s表示复变量，M

z

其中，z

S3、通过反步法对系统的控制律进行设计，传统线性自抗扰控制中，其控制律的设计通常采用线性误差反馈控制律，其控制律设计如下：

其中，k

当选用合适的参数时，线性扩张状态观测器能够实现对系统中各状态量进行实时估计，即z

拉普拉斯变换后可得出：

由上式可知，由于参考电流为周期性正弦函数，当逆变器并网系统达到稳定时，其系统始终存在一个固有的稳态误差。

针对于上述问题，有学者提出了基于微分前馈的自抗扰控制策略来减小系统的稳态误差，在该控制策略下系统的稳态误差虽有所减小，但依旧存在较大的误差，为进一步减小系统固有的稳态误差，提高系统对参考信号的跟踪误差，本专利采用反步法来对控制律进行设计。

步骤1：定义状态跟踪误差e

定义误差e

设虚拟控制量

步骤2：由上述得出跟踪误差

设虚拟控制量

步骤3：由所设的虚拟变量x

令

对V

当

则/>

由上式可得出：

S4、根据系统总扰动估计误差来计算出系统跟踪误差的区间，由此可推导出系统的跟踪误差：

其中，

通过上述公式可知，ξ随着μ的增加而减小，当μ→∞时，ξ趋近于0，因此系统跟踪误差e

在传统的线性扩张状态观测器的基础上设计了考虑延时和模型补偿的线性扩张状态观测器，但由于线性扩张状态观测器的估计性能随着干扰频率的升高而降低，因而传统的线性扩张状态观测器对并网系统(50Hz)总扰动进行估计时，存在估计不足和相位滞后等问题，本专利提出了一种改进的线性扩张状态观测器，在考虑延时和模型补偿的线性扩张状态观测器的基础上设计一个一阶补偿函数来提高其对总扰动的估计性能。同时线性自抗扰控制在控制律的设计上采用线性误差状态反馈控制律，当并网系统中参考电流为50Hz的周期正弦信号时，系统在达到稳定后会存在一个固有的稳态误差，使得系统对参考电流的跟踪性能较差。本专利通过反步法设计控制律，从而减小系统的固有稳态误差，同时将其与改进的扩张状态观测器相结合，提高并网系统的抗干扰性能和控制性能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。