微電網負載端接口變換器的自抗擾穩(wěn)壓控制

陶 瓏 王 萍 王議鋒 馬小勇 程鵬宇

微電網負載端接口變換器的自抗擾穩(wěn)壓控制

陶 瓏 王 萍 王議鋒 馬小勇 程鵬宇

（天津大學智能電網教育部重點實驗室 天津 300072）

混合儲能微電網具有非線性、強耦合、負載擾動強、并/離網模式切換靈活等特性，針對傳統(tǒng)控制難以取得理想效果的問題，該文將二階線性自抗擾控制（2nd-LADRC）技術引入微電網負載端接口變換器的控制中。首先，根據狀態(tài)空間平均法對被控對象進行分析并提取模型信息，根據狀態(tài)方程與傳遞函數從系統(tǒng)層面設計2nd-LADRC控制器；然后，通過頻域分析，驗證2nd-LADRC控制器的收斂性和抗擾性，探討觀測器帶寬與抗擾性能之間的關聯，并運用Lyapunov理論分析應用2nd-LADRC控制器時的系統(tǒng)穩(wěn)定性，得出系統(tǒng)在工程意義上是穩(wěn)定的；最后，設計一臺40kW實驗樣機，模擬在微電網和負載功率波動時不同控制策略的實驗場景。實驗結果驗證了2nd-LADRC控制方法的可行性和有效性。

混合儲能微電網 狀態(tài)空間平均法 二階線性自抗擾控制 頻域分析 Lyapunov理論

0 引言

當今時代，能源短缺和環(huán)境問題逐漸成為人們關注的焦點。這促使新能源（如風能、太陽能等）在社會的發(fā)展中扮演愈發(fā)重要的角色[1-3]。而以往傳統(tǒng)的電能變換技術已經不能滿足人們對新能源變換器高性能、高效率的要求，高頻電能變換技術在新能源系統(tǒng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用[4-5]。近年來，隨著碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等寬禁帶電力電子器件在工程領域的不斷發(fā)展，小型化、高頻化逐步成為分布式能源變換器的發(fā)展方向[1]。在直流微電網應用中，這些具有高頻、高可靠性和高效率等優(yōu)勢的新型器件，不僅降低了功率器件損耗，同時能夠大幅提高DC-DC變換器的工作頻率和效率[6]。但直流微電網是一個融合多種分布式能源和負載的系統(tǒng)，加之與交流電網頻繁的能量交互，常表現出間歇性、時變性的特性。這就會給直流母線和輸出側接口的電壓造成較大沖擊，使其難以維持在一個合理的波動范圍內，進而影響微電網中多種接口變換器的穩(wěn)定運行，嚴重時會導致保護動作使其停止工作。因此，對于微電網的各個控制模塊來說，擁有較強的魯棒性和抗擾能力就顯得尤為重要。

目前，主要通過接口變換器的控制環(huán)節(jié)改造來實現對電能質量的優(yōu)化。根據目前研究中的建模分析可知，蓄電池和超級電容儲能系統(tǒng)均具有典型的非線性特性，與此同時，DC-DC變換器也是一個非線性結構[7-8]。然而，對于一個非線性的、不連續(xù)的系統(tǒng)，經典PI控制的結果通常不理想[9]。在過去的幾年里，很多學者將其他一些先進的算法，如粒子群、神經網絡算法應用到變換器的控制中[10-11]。然而，這些算法的過程太過復雜，且對系統(tǒng)的精確數學模型有嚴格的要求，這兩者在現實中很難得到。

自抗擾控制技術[12]是由韓京清提出的，是一種在傳統(tǒng)比例-積分-微分（Proportion-Integration- Differentiation, PID）控制基礎上發(fā)展起來的新型非線性控制策略。該控制方法具備魯棒性強、抗干擾能力強的特點[13-14]。目前自抗擾控制（Active Dis- turbance Rejection Control, ADRC）技術已初步應用于有源電力濾波器控制[15]、電機控制[16]和靜止無功發(fā)生器控制[17]。但是傳統(tǒng)的自抗擾控制器參數眾多、分析困難、難以在工程中推廣應用。因此Gao Zhiqiang教授和他的團隊開發(fā)出線性自抗擾控制（Linear Active Disturbance Rejection Control, LADRC）策略，此方法繼承了傳統(tǒng)非線性自抗擾的核心功能，

并將大多數參數進行整合，使其與帶寬呈線性相關，大大簡化了調參過程，方便了自抗擾控制的工程化應用[18]。基于線性自抗擾理論，有些學者通過分離傳統(tǒng)的耦合觀測器與模型誤差，提出了一種基于擴張狀態(tài)觀測器（Extended State Observer, ESO）的逆變器電流控制策略，改進了觀測器的魯棒性[19]。在文獻[20]中，提出了一種基于ESO的超局域模型，并從無差拍方法的電壓基準中減去觀測到的擾動。當電網電壓出現不平衡時，類似的技術還被用于有源前端整流器，以實現穩(wěn)定控制[21]。在文獻[22]中，ESO被用于預測模型，并將干擾抑制作為速度控制回路的并行觀測器?？梢姡琇ADRC理論已經初步擴展到了多個領域。然而，關于基于LADRC的微電網接口變換器控制的完整理論、證明和實驗分析的研究還很少。

本文利用線性自抗擾控制策略的優(yōu)點，并結合擴張狀態(tài)觀測器的思想，處理微電網運行中難以取得理想控制效果的問題。該方法無需依賴攝動產生模型或直接測量，即可觀測擾動并獲得估計進而補償不確定性帶來的問題。首先分析了微電網接口處的數學模型。根據對直流微電網數學模型的分析，將已知的部分模型信息集成到ESO的系數矩陣中構成模型輔助的ESO，在觀測器帶寬不變的情況下提高觀測和估計的精度。并通過頻域分析法和Lyapunov理論分析了應用二階線性自抗擾控制（Second- Order Linear Active Disturbance Rejection Control, 2nd-LADRC）技術系統(tǒng)的收斂性、抗擾性和穩(wěn)定性，也揭示了觀測器帶寬與抗擾性能之間的對應關系。最后，通過數字仿真和40kW樣機的物理實驗，驗證了所提控制策略的正確性和可行性。

1 直流微電網的數學模型及分析

混合儲能微電網如圖1所示。本文主要針對母線與負載之間的降壓接口變換器的電壓控制技術進行探究和討論。變換器拓撲結構如圖2所示。圖1中，in為輸入電容，out為輸出電容，in()為輸入電壓，o()為輸出電壓，load為負載，S1～S12為SiC MOSFET，1～6為電感。圖2a中，降壓接口處采用的是6路交錯并聯型變換器結構，由于動態(tài)過程相似，僅對單路進行分析。

圖1 混合儲能微電網

圖2 變換器拓撲結構

2 基于2nd-LADRC的穩(wěn)壓控制策略

根據第1節(jié)的建模與分析，可知被控對象為二階系統(tǒng)，因此2nd-LADRC與其最為匹配，控制器結構如圖3所示。

圖3 2nd-LADRC控制器

2.1 結合模型信息的線性擴張狀態(tài)觀測器

其中

其中

其中

對應的連續(xù)LESO為

2.2 線性誤差反饋控制率

與其對應的擾動補償環(huán)節(jié)為

根據極點配置方法[20]，對上述LESO做如下配置

根據式（10）、式（13）、式（15），可以得到具有模型信息的二階LADRC結構，結合模型信息的2nd-LADRC結構如圖4所示。

3 特性分析

3.1 收斂性分析

通過Laplace變換并結合式（16）～式（18）可得

穩(wěn)態(tài)誤差可表示為

由式（21）可知，LESO具有較好的收斂性，可以實現對系統(tǒng)狀態(tài)變量和廣義擾動的無偏估計。

3.2 抗擾性分析

由式（11）～式（13）可得

其中

根據式（19），將可視被控對象表示為

結合式（22）、式（23），可將圖4所示的結合模型信息2nd-LADRC結構簡化如圖5所示。根據圖5，可得其閉環(huán)傳遞函數為

圖5 2nd-LADRC簡化結構

圖6 2nd-LADRC抗擾性能分析

3.3 穩(wěn)定性分析

針對本文所提的模型，證明其穩(wěn)定性。根據式（11）的分析，可知

其中

（27）

其中

其中

成立。則

根據（27）、式（28），可得

由式（29）、式（35）可得

在自抗擾控制過程中，由式（13）可知，經典自抗擾控制反饋控制率為

其中

4 實驗驗證

為了驗證本文所提控制策略的可行性以及理論分析的準確性，搭建了一臺40kW樣機進行了實驗驗證。實驗樣機中開關管采用Infineon公司的SiC，IMZ120R045M1。直流母線電壓控制器樣機，如圖7a所示。本文所述的微電網系統(tǒng)由上位機、電網、風電、光伏、電池、超級電容器、電子負載及其接口變換器組成，其中風力發(fā)電、光伏發(fā)電、蓄電池、超級電容器等被可編程電源取代。本文研究重點的是直流母線與負載之間的6路交錯并聯Buck變換器系統(tǒng)參數，見表1。為了簡化實驗程序，在測試過程中采用可編程電源模擬母線電壓的各種特性，如圖7所示。

分別對母線處電壓突增、突降以及負載側加、減載4個工況進行測試。為了驗證所提2nd-LADRC策略的性能，將PI策略和2nd-LADRC策略分別用作電壓外環(huán)控制器在不同的工況下進行對比分析，如圖8～圖11所示。通過最大超調量%和恢復時間v來展示實際運行中的抗擾性。從圖8可以觀察到，當6路交錯并聯Buck變換器運行在10kW的功率下，同時在輸入側出現一個電壓正向突變時，超調降至94%，恢復時間縮短1/3。顯然，與經典PI策略相比，2nd-LADRC限制了輸出電壓的波動范圍并縮減了輸出電壓波動的恢復時間。圖9中，顯示了在輸入側電壓驟降和10kW負載運行條件下的輸出電壓比較波形。當2nd-LADRC應用其中時，可以看出，在電壓驟降期間輸出電壓的波動幅度與PI相同，而速度響應得到了顯著的優(yōu)化，即輸出電壓恢復時間的有效縮短。這得益于擴張狀態(tài)觀測器對擾動信號的觀測、估計和補償?？梢钥闯觯瑹o論輸入側電壓驟升還是驟降，本文提出的2nd-LADRC策略都可以成功增強抗擾性，這與理論分析的結論一致。圖10a、圖10b分別為輸入電壓550V、電壓環(huán)給定450V且負載增加10kW時，采用PI控制器、2nd-LADRC策略的動態(tài)響應。可以看出，采用PI策略時，輸出電壓的波動幅度約為33.5V，恢復時間為260ms，在相同的運行條件下，6路交錯并聯Buck變換器的電壓響應波動和恢復時間明顯大于采用2nd-LADRC時的響應。此外，圖11a、圖11b分別給出了PI和2nd-LADRC在減載工況下的測試結果。從輸出電壓波形中可以看出，與PI相比，2nd-LADRC策略的恢復時間和電壓波動都得到了有效的縮短。

表1 系統(tǒng)參數

Tab.1 System parameters

圖7 測試平臺

圖8 母線電壓突增下的動態(tài)響應

圖9 母線電壓突降下的動態(tài)響應

圖10 負載增加時的動態(tài)響應

圖11 負載減少時的動態(tài)響應

根據實驗結果的對比可知，在負載變化的工況下采用2nd-LADRC策略和PI策略與輸入側電壓變化時采用2nd-LADRC策略和PI策略有著相似的對應關系。輸出電壓的超調較PI有所降低，電感電流的波動也有所減弱；此外，2nd-LADRC的調節(jié)速度明顯快于PI。這都使輸出側的電能質量有所提高，進而有效地減弱了擾動對負載的沖擊。

5 結論

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Voltage Stabilization Strategy for Load-Side Interface Converter of Microgrid Combined with Active Disturbance Rejection Control

（Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education Tianjin University Tianjin 300072 China）

Hybrid energy storage microgrid has the characteristics of non-linearity, strong coupling, strong load disturbance, and flexible switching of parallel/off-grid modes. Aiming at the problem that traditional control is difficult to achieve ideal results, this paper introduces the second-order linear active disturbance rejection control technology (2nd-LADRC) into the control of the interface converter at the load end of the microgrid. First, this paper analyzes the controlled object and extracts model information according to the state-space average method, and designs the 2nd-LADRC controller from the system level according to the state equation and transfer function. Then through frequency domain analysis, the convergence and anti-interference of 2nd-LADRC are verified, the relationship between the bandwidth of the observer and the anti-interference performance is discussed, and the system stability when the 2nd-LADRC controller is applied is analyzed using Lyapunov theory. It is concluded that the system is stable from the perspective of engineering application. Finally, a 40kW experimental prototype is designed to simulate the experimental scenarios of different control strategies when the microgrid and load power fluctuate. The experimental results verify the feasibility and effectiveness of the 2nd-LADRC control method.

Hybrid energy storage micro grid, state space average method, second order linear active disturbance rejection controller, frequency domain analysis, Lyapunov theory

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210371

TM46

陶 瓏 男，1994年生，博士研究生，研究方向為混合儲能微電網的能量轉換與先進控制策略。E-mail: taolongtl@126.com

王議鋒 男，1981年生，副教授，博士生導師，研究方向為新能源發(fā)電與電能變換。E-mail: wayif@tju.edu.com（通信作者）

2021-03-19

2021-07-04

國家自然科學基金資助項目（51977146）。

（編輯 陳 誠）