基于線性自抗擾控制的光伏發(fā)電波動(dòng)性消除方法研究

鄒鵬輝

(國家電投集團(tuán)青海光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，西寧 810008)

0 引言

現(xiàn)階段，光伏是新能源發(fā)電的重要組成部分。在實(shí)際運(yùn)行的過程中，如果電網(wǎng)線路[1-2]出現(xiàn)故障，為了有效預(yù)防并網(wǎng)逆變器發(fā)生損壞，需要進(jìn)行拖網(wǎng)運(yùn)行。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)中穿透率的持續(xù)增加，如果使用傳統(tǒng)的控制方式則會(huì)導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，所以要求全新的電網(wǎng)準(zhǔn)則中并網(wǎng)電力系統(tǒng)一定具有低電壓穿越能力，在系統(tǒng)發(fā)生故障期間能夠?qū)Σ⒕W(wǎng)點(diǎn)電壓提供支撐。

傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要使用PID或者經(jīng)過改進(jìn)的PID控制方式[3]，雖然能夠有效消除波動(dòng)和降低誤差，但是仍然存在以下缺陷，如：

(1)利用系統(tǒng)輸出以及給定值進(jìn)行比較得到誤差，這樣形成的誤差偏大，而且容易引發(fā)超調(diào)。

(2)在積分反饋環(huán)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度大幅度降低，而且PID控制屬于簡單的線性加權(quán)控制，并不是最好的線性加權(quán)組合。

以上缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生故障，影響系統(tǒng)的綜合性能[4-5]，甚至還會(huì)破壞系統(tǒng)的保護(hù)裝置，造成系統(tǒng)脫網(wǎng)。

為了克服線性PID存在的不足，本文提出基于線性自抗擾控制的光伏發(fā)電波動(dòng)性消除方法。通過具體的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了所提方法的有效性以及優(yōu)越性。

1 線性自抗擾控制策略

設(shè)定電網(wǎng)電壓d軸為矢量定向[6]，則網(wǎng)側(cè)變換器dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型能夠表示為以下的形式：

(1)

式中，id代表d軸的電流分量；iq代表q軸電流分量；ed代表d軸電網(wǎng)電壓分量；eq代表q軸電網(wǎng)電壓分量；ud代表d軸變換器側(cè)端電壓分量；uq代表變換器側(cè)端電壓分量；sd代表d軸的開關(guān)函數(shù)分量；sq代表q軸的開關(guān)函數(shù)分量,Lg代表電網(wǎng)電壓基礎(chǔ)分量，Rg代表電網(wǎng)電壓側(cè)分量，ω代表核定系數(shù)。

由于傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制電壓外環(huán)主要使用PI調(diào)節(jié)器[7-8]，為了得到更好的控制效果以及抗擾動(dòng)性，本文使用LADRC(線性自抗擾控制)代替PI調(diào)節(jié)控制器，以下進(jìn)行具體的分析。

2 基于線性自抗擾控制的光伏發(fā)電波動(dòng)性消除方法

2.1 建立光伏發(fā)電系統(tǒng)的“抗擾范式”模型

根據(jù)線性自抗擾控制策略，以下重點(diǎn)針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的“抗擾范式”展開研究，設(shè)定系統(tǒng)的總擾動(dòng)為未知狀態(tài)變量，利用ESO(擴(kuò)張狀態(tài)觀測器)進(jìn)行估計(jì)以及測試，同時(shí)將建模問題轉(zhuǎn)化為狀態(tài)估計(jì)。

為了方便進(jìn)行抗擾范式組建，以下需要將三相光伏并網(wǎng)逆變器在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則有：

(2)

由于針對電壓外環(huán)使用LADRC控制，所以：

(3)

由于逆變器的直流側(cè)和交流側(cè)有功功率的守恒原理，所以：

(4)

對式(4)進(jìn)行變形，則：

(5)

將式(3)代入到式(5)中，則有：

(6)

將式(6)左右兩邊除以Cdc，則：

(7)

(8)

(9)

(10)

如果令f(t,u,x1)=ω(t,u,x1)+d(t)，總體代表其系統(tǒng)的總擾動(dòng)量，ω(t,u,x1)代表系統(tǒng)的點(diǎn)控制量，d(t)代表光伏系統(tǒng)運(yùn)行過程中所受到的外部擾動(dòng)，bu代表控制量，將式(10)轉(zhuǎn)換為光伏發(fā)電系統(tǒng)的“抗擾范式”模型，則有：

(11)

2.2 獲取最優(yōu)參數(shù)

雖然非線性自抗擾控制器能夠?qū)崿F(xiàn)光伏發(fā)電波動(dòng)性消除，但是該控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體工作量大幅度增加，使其在實(shí)際工程中很少被應(yīng)用。

針對以上缺陷，在組建光伏發(fā)電系統(tǒng)的“抗擾范式”模型的基礎(chǔ)上，引入頻率尺度變換，將LADRC一整套參數(shù)和控制器頻率相關(guān)聯(lián)[9-10]，通過LADRC技術(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)整定，從而獲取十分滿意的控制效果。經(jīng)過簡化之后的自抗擾控制器主要由三個(gè)部分組成，分別為：

(1)線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器；

(2)線性PD組合；

(3)擾動(dòng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

光伏系統(tǒng)的被控對象表示為：

(12)

式中，f(y)代表未知函數(shù)；bu(t)代表控制增益；u(t)代表控制輸入；ω(t)代表未知擾動(dòng)，將其進(jìn)行改寫，則有：

(13)

其中式(13)的狀態(tài)空間描述為：

(14)

其中：

(15)

(16)

(17)

C=[1,0,0,0] .

(18)

引入頻率尺度變換，設(shè)計(jì)線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(LESO)，即：

(19)

式中，z代表x的估計(jì)值，即觀測器的狀態(tài)向量；L代表狀態(tài)增益反饋矩陣[11-12]，需要通過控制對象進(jìn)行設(shè)計(jì)。

將其寫成矩陣的形式，則有：

(20)

通過線性ESO的帶寬ω0進(jìn)行參數(shù)整定，則有：

λESO(s)=s4+β1s3+β2s2+β3s+β4=(s+ω0)4.

(21)

求得：

β1=4ω0.

(22)

(23)

(24)

(25)

將自抗擾控制器的LESO輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)采用比例微積分控制器進(jìn)行控制，即：

(26)

式中，kp，kd1，kd2代表PD的組合增益；一個(gè)包含擾動(dòng)和不確定因素的復(fù)雜系統(tǒng)在經(jīng)過擾動(dòng)補(bǔ)償之后，能夠重新組建成一個(gè)簡單的純積分串聯(lián)模式[13-14]，針對式(26)兩邊進(jìn)行取拉式變換，則能夠獲取預(yù)期閉環(huán)函數(shù)為：

(27)

同理，將二階閉環(huán)系統(tǒng)的分母極點(diǎn)配置在-ωc處，則有：

s3+kd2s2+kd1s+kp=(s+ωc)3.

(28)

線性自抗擾控制器中的參數(shù)為待整定參數(shù)，其中控制器中不同部分的控制參數(shù)的變化會(huì)給系統(tǒng)的控制效果[15]帶來不同程度的影響，具體總結(jié)為以下幾個(gè)步驟：

(1)通過系統(tǒng)標(biāo)稱參數(shù)計(jì)算b0；

(2)確定ESO帶寬ω0和ωc之間的倍數(shù)關(guān)系；

(3)每一組選取一個(gè)ω0和ωc，按照前面的原則進(jìn)行參數(shù)整定；

(4)按照對應(yīng)的比例增大ω0和ωc，直至噪聲無法承受系統(tǒng)輸出波動(dòng)或者振動(dòng)再降低ω0和ωc的取值，這樣可以兼顧系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能以及穩(wěn)定性；

(5)適當(dāng)降低不同參數(shù)的取值，但增大β4，直到在不形成超調(diào)的前提下，系統(tǒng)的閉環(huán)動(dòng)態(tài)性能達(dá)到系統(tǒng)期望的狀態(tài)，同時(shí)記錄現(xiàn)階段b0值所整定下的參數(shù)；

(6)需要適當(dāng)調(diào)整kp，kd1，kd2的取值；

(7)不斷調(diào)整b0，獲取符合對應(yīng)的取值，然后依據(jù)以上操作過程，直到獲取一組較優(yōu)的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電波動(dòng)性消除。

綜上所述，基于線性自抗擾控制的光伏發(fā)電波動(dòng)性消除方法的具體流程如圖1所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 測試裝置與參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證所提基于線性自抗擾控制的光伏發(fā)電波動(dòng)性消除方法的抗擾性以及可行性，通過MATLAB/Simulink 仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：Anaconda3.7，Python3.7以及Tensor Flow(2.0)。設(shè)置光伏陣列在標(biāo)準(zhǔn)光照下輸出功率近似為40 kW，光伏電池開路電壓為650 V，短路電流為63.3 A，MPPT電壓為530 V，MPPT電流為65 A，直流母線電容為2 000 μF，PCC線電壓有效值為380 V/50 Hz，直流卸荷電阻為21 Ω。由于控制器頻率的波動(dòng)性使得同步采樣非常困難，因此采用準(zhǔn)同步測試系統(tǒng)，根據(jù)快速測出的頻率而選擇合適的采樣頻率，使數(shù)據(jù)采樣達(dá)到準(zhǔn)同步。實(shí)驗(yàn)平臺如圖2所示。

其中測試系統(tǒng)為光伏諧波檢測裝置，頻率計(jì)為SP3165B型多功能計(jì)數(shù)器，信號源為SYN5651型信號發(fā)生器。通過實(shí)驗(yàn)平臺對頻率計(jì)和測試系統(tǒng)軟件界面上測得的頻率進(jìn)行對比，來測試系統(tǒng)對信號頻率變化的檢測準(zhǔn)確度，從而保證采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和同步性。

3.2 A相電壓

將未加入LADRC控制時(shí)網(wǎng)側(cè)的A相電壓和加入LADRC控制時(shí)網(wǎng)側(cè)的A相電壓進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，未加入LADRC控制時(shí)網(wǎng)側(cè)的A相電壓波動(dòng)在780 V～832 V范圍內(nèi)，沖擊較大，由于有功功率的變化導(dǎo)致A相電壓瞬間出現(xiàn)尖峰，而本文加入LADRC控制時(shí)網(wǎng)側(cè)的A相電壓波動(dòng)較小，在790 V～810 V范圍內(nèi)，在可控范圍內(nèi)，抗擾動(dòng)性能較好。

3.3 輸出電流

將未加入LADRC控制時(shí)網(wǎng)側(cè)的輸出電流和加入LADRC控制時(shí)網(wǎng)側(cè)的輸出電流進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖4所示。

通過對比圖4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，采用LADRC進(jìn)行控制時(shí)，輸出電流在0～24 A范圍內(nèi)，較未加入LADRC控制的輸出電流穩(wěn)定，控制精度更高一些，控制效果更加理想，能夠得到更好的補(bǔ)償效果，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電波動(dòng)性消除。

3.4 有功功率

將未加入LADRC控制時(shí)網(wǎng)側(cè)的有功功率和加入LADRC控制時(shí)網(wǎng)側(cè)的有功功率進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，未加入LADRC控制時(shí)，網(wǎng)側(cè)輸出有功功率略有減少，加入LADRC控制時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落，輸出有功功率在0.25 s，0.65 s時(shí)呈現(xiàn)減少的趨勢，能夠消除光伏發(fā)電單元輸出的有功功率。

3.5 執(zhí)行效率

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的有效性，對比未加入LADRC控制時(shí)的執(zhí)行效率和加入LADRC控制時(shí)的執(zhí)行效率，具體的實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果如表1所示。

表1 執(zhí)行效率對比結(jié)果

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可知，加入LADRC控制時(shí)的執(zhí)行效率最高可達(dá)99.85%，而未加入LADRC控制時(shí)的執(zhí)行效率最高只有94.58%，加入LADRC控制時(shí)的執(zhí)行效率比未加入LADRC控制時(shí)的執(zhí)行效率高，說明本文方法的光伏發(fā)電波動(dòng)性消除效果較好。

3.6 60 kW輸出功率下的執(zhí)行效率

當(dāng)光伏陣列在標(biāo)準(zhǔn)光照下輸出功率近似為60 kW時(shí)，測試未加入LADRC控制時(shí)的執(zhí)行效率和加入LADRC控制時(shí)的執(zhí)行效率，具體的實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，在輸出功率為60 kW時(shí)，未加入LADRC控制時(shí)的執(zhí)行效率在24%～69%之間，曲線波動(dòng)較大，而加入LADRC控制時(shí)的執(zhí)行效率較平穩(wěn)，在87%～90%之間。

綜合分析上述表格中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)輸出功率為60 kW時(shí)，加入LADRC控制時(shí)的執(zhí)行效率高，提高了光伏發(fā)電波動(dòng)性消除效果，以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分驗(yàn)證了所提方法的優(yōu)越性。

4 結(jié)束語

為了提高光伏發(fā)電波動(dòng)性消除效果，本文提出一種基于線性自抗擾控制的光伏發(fā)電波動(dòng)性消除方法。將線性自抗擾控制參數(shù)與控制器頻率相關(guān)聯(lián)，促使線性自抗擾控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)整定，從而消除光伏發(fā)電波動(dòng)性。通過具體的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文方法具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性以及實(shí)用性。由于時(shí)間限制，導(dǎo)致所提方法仍然存在一定弊端，后續(xù)將進(jìn)一步針對其進(jìn)行進(jìn)一步完善。