綠色建筑電氣安裝與管理中逆變環(huán)節(jié)新型控制策略設(shè)計(jì)

摘要： 設(shè)計(jì)了一種以線性自抗擾控制為核心控制算法，以滑模控制為輔助控制算法的滑模改進(jìn)自抗擾控制策略。根據(jù)綠色建筑電氣中逆變環(huán)節(jié)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，對(duì)線性自抗擾控制的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行列寫，同時(shí)構(gòu)造線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和線性誤差反饋律，提高控制器對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)的抵抗能力，提升系統(tǒng)的抗擾性。引入滑模控制，替代線性自抗擾控制中的比例微分控制器，進(jìn)一步彌補(bǔ)擾動(dòng)觀測不足帶來的影響，提升系統(tǒng)的擾動(dòng)觀測能力。最后，在MATLAB/Simulink數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中搭建綠色建筑電氣中的逆變環(huán)節(jié)，并施加滑模改進(jìn)自抗擾與傳統(tǒng)的比例積分控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果顯示模糊改進(jìn)自抗擾下的逆變環(huán)節(jié)的諧波畸變率為2.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于比例積分控制，并網(wǎng)成功率為95.6%。關(guān)鍵詞： 綠色電氣建筑; 逆變環(huán)節(jié); 線性自抗擾; 滑?？刂?/p>

中圖分類號(hào)： TU855文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1674-8417（2024）08-0001-07

DOI： 10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.08.001

0引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提升，綠色建筑作為可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，逐漸受到廣泛關(guān)注。綠色建筑以其節(jié)能環(huán)保、資源循環(huán)利用等特點(diǎn)，在建筑領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，光伏發(fā)電作為一種清潔可再生能源，被廣泛應(yīng)用于綠色建筑的電氣安裝中，為建筑提供電力支持，并通過電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和共享。

然而，綠色建筑電氣安裝與管理中存在的問題日益顯現(xiàn)，其中逆變環(huán)節(jié)的控制性能較差、并網(wǎng)成功率較低等成為制約其發(fā)展的重要因素［1-4］。逆變環(huán)節(jié)是將光伏發(fā)電的直流電轉(zhuǎn)換為交流電并供給電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其控制質(zhì)量直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效率和運(yùn)行成本。傳統(tǒng)的控制策略在應(yīng)對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)、提高系統(tǒng)魯棒性方面存在一定的局限性，無法滿足綠色建筑逆變環(huán)節(jié)對(duì)控制精度和穩(wěn)定性的要求。

針對(duì)傳統(tǒng)比例積分控制策略中存在的缺點(diǎn)，文獻(xiàn)［5］提出了一種以模型預(yù)測為主要核心控制策略的逆變控制策略，傳統(tǒng)的模型預(yù)測控制器通常依賴于固定的控制參數(shù)，因此其難以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性的變化或是外部干擾，導(dǎo)致控制性能下降;文獻(xiàn)［6］提出了一種以模糊控制和比例積分控制相結(jié)合的模糊PID控制策略，雖改善了逆變環(huán)節(jié)的控制性能，但在面對(duì)電力系統(tǒng)參數(shù)變化或外界條件波動(dòng)時(shí)，模糊PID往往無法保持最佳性能，對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)的抵抗能力較弱，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率;文獻(xiàn)［7］提出了一種以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為優(yōu)化算法的參數(shù)尋優(yōu)控制策略，但在光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于非線性的特性導(dǎo)致了較高的諧波畸變，影響電能質(zhì)量，進(jìn)而影響并網(wǎng)成功率和系統(tǒng)整體性能。

針對(duì)上述研究方法的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種融合線性自抗擾控制策略和滑?？刂频幕８倪M(jìn)自抗擾控制策略，提升了綠色建筑電氣中逆變環(huán)節(jié)的控制效果，改善了控制精度，減小了諧波畸變率，提升了逆變環(huán)節(jié)的并網(wǎng)成功率。

1滑模改進(jìn)自抗擾控制設(shè)計(jì)

線性自抗擾控制（LADRC）是一種強(qiáng)魯棒性控制方法，旨在有效抑制動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的外部擾動(dòng)和模型不確定性。其核心思想是通過引入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器，實(shí)時(shí)估計(jì)和抵消擾動(dòng)，使控制系統(tǒng)能夠在不確定環(huán)境下保持穩(wěn)定性和高性能［8-10］。

LADRC采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)和抵消，不依賴于系統(tǒng)的準(zhǔn)確模型，因此具有較強(qiáng)的靈活性。在綠色電氣建筑中，系統(tǒng)參數(shù)可能隨著時(shí)間或外部條件的變化而發(fā)生變化，LADRC能夠靈活地適應(yīng)這些變化，保持良好的控制性能。

綠色建筑電氣中逆變環(huán)節(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（ESO）是一種用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中狀態(tài)估計(jì)的高效方法，其在綠色建筑電氣的逆變環(huán)節(jié)控制中扮演著重要角色。ESO的主要功能是通過對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和外部擾動(dòng)的估計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的準(zhǔn)確跟蹤和估計(jì)，從而提高控制系統(tǒng)的魯棒性和性能［11-13］。

由上述可知，ESO具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，能夠有效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)模型的不確定性。在綠色電氣建筑中，逆變環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型往往存在一定程度的不確定性，例如光伏發(fā)電系統(tǒng)中的陰影效應(yīng)或溫度變化可能導(dǎo)致模型參數(shù)的變化。ESO通過動(dòng)態(tài)地估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)和外部擾動(dòng)，能夠在不確定環(huán)境下保持良好的控制性能。

除ESO外，LADRC還包括線性誤差反饋律（LEFC），自抗擾控制（LSEF）的基本思想是通過測量系統(tǒng)輸出與期望輸出之間的誤差，將誤差信號(hào)經(jīng)過線性反饋調(diào)節(jié)器進(jìn)行處理，生成控制輸入，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在綠色建筑領(lǐng)域，簡單可靠的控制方案能夠更好地適應(yīng)工程需求，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

通過動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)和抵消，LADRC能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的準(zhǔn)確控制，提高控制精度。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，LADRC能夠有效抑制逆變環(huán)節(jié)中的諧波畸變，提高電能質(zhì)量，進(jìn)而提高并網(wǎng)成功率。由以上可知，線性誤差反饋律能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的準(zhǔn)確控制。通過對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行線性反饋調(diào)節(jié)，可以有效地抑制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。在逆變環(huán)節(jié)控制中，這種準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)控制能夠確保系統(tǒng)對(duì)外部環(huán)境變化和擾動(dòng)的快速響應(yīng)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行和性能優(yōu)化。LADRC的整體控制框圖如圖2所示。

為詳細(xì)描述LADRC的控制結(jié)構(gòu)，包括觀測器和控制器的LADRC控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

綜上所述，LADRC在綠色建筑電氣逆變環(huán)節(jié)中扮演著重要角色。其結(jié)合了線性誤差反饋和擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器的特性，使其具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力和魯棒性。通過實(shí)時(shí)估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)和外部擾動(dòng)，LADRC能夠精確地跟蹤系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制。尤其在面對(duì)綠色建筑電氣系統(tǒng)中可能存在的環(huán)境變化和擾動(dòng)時(shí)，LADRC能夠有效地抑制外部干擾，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。其在控制精度和魯棒性方面的優(yōu)勢，為綠色建筑領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展提供了重要支持［14-16］。

滑模控制在綠色建筑電氣逆變環(huán)節(jié)中是一種強(qiáng)大的控制策略，其核心思想是通過引入滑模面，將系統(tǒng)狀態(tài)引導(dǎo)至滑模面上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的快速、準(zhǔn)確的控制。在綠色建筑電氣系統(tǒng)中，逆變環(huán)節(jié)作為能源轉(zhuǎn)換的核心，其穩(wěn)定性和性能至關(guān)重要。滑?？刂仆ㄟ^設(shè)計(jì)合適的滑模面和滑?？刂坡?，能夠有效地抑制系統(tǒng)的外部擾動(dòng)和模型不確定性，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。尤其在面對(duì)電網(wǎng)變化、負(fù)載波動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境下，滑模控制具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力和魯棒性，能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變環(huán)節(jié)的精確控制。通過滑?？刂频膽?yīng)用，可以提高綠色建筑電氣系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、效率和可靠性，為其可持續(xù)發(fā)展注入新的活力。

滑?？刂频奶匦詧D如圖6所示。

根據(jù)李雅普諾夫理論，并結(jié)合式（29），滑模改進(jìn)自抗擾控制策略提高了綠色建筑電氣逆變環(huán)節(jié)的控制效果，提升了逆變環(huán)節(jié)的擾動(dòng)抵抗能力。

滑模改進(jìn)自抗擾控制策略的控制結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

根據(jù)迭代要求，對(duì)滑模改進(jìn)自抗擾的誤差進(jìn)行判定。平均誤差和絕對(duì)誤差隨迭代次數(shù)的變化如表1所示。

由表1可知，隨著迭代次數(shù)的增加，滑模改進(jìn)自抗擾控制的平均誤差和絕對(duì)誤差不斷下降，且呈線性下降，在迭代次數(shù)為100次時(shí)的兩類誤差最小，平均誤差為2.69%，絕對(duì)誤差為1.89%，均小于3%，滿足誤差要求。

滑模改進(jìn)自抗擾控制的電氣設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。諧波畸變率對(duì)比如表2所示。

2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證滑模改進(jìn)自抗擾控制的正確性和有效性，在MATLAB/Simulink數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中搭建綠色建筑電氣的逆變環(huán)節(jié)，并施加滑模改進(jìn)自抗擾控制策略和比例積分控制，對(duì)兩種控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

并網(wǎng)成功率對(duì)比如表3所示。

由表3可知，隨著迭代次數(shù)的增加，滑模改進(jìn)自抗擾和比例積分控制下的綠色建筑中逆變環(huán)節(jié)的并網(wǎng)成功率不斷增加，但在任意迭代次數(shù)下，比例積分的并網(wǎng)成功率均小于滑模改進(jìn)自抗擾控制。在迭代次數(shù)為100次時(shí)，兩類控制策略下的并網(wǎng)成功率達(dá)到最大，滑模改進(jìn)自抗擾控制為95.6%，比例積分控制為65.32%，遠(yuǎn)小于滑模改進(jìn)自抗擾控制，因此滑模改進(jìn)自抗擾控制提高了綠色建筑中逆變環(huán)節(jié)的并網(wǎng)成功率。

3結(jié)語

針對(duì)以光伏發(fā)電為主要特性的綠色建筑電氣安裝與管理過程中存在的逆變環(huán)節(jié)控制性能較差，并網(wǎng)成功率較低等問題，設(shè)計(jì)了一種以線性自抗擾控制為核心控制算法，以滑模控制為輔助控制算法的滑模改進(jìn)自抗擾控制策略。與比例積分控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比后，可得如下結(jié)論：

（1） 滑模改進(jìn)自抗擾控制依靠自抗擾控制的抗擾性，對(duì)綠色建筑中逆變環(huán)節(jié)的諧波進(jìn)行了抑制，降低了諧波畸變率，為后續(xù)逆變環(huán)節(jié)的并網(wǎng)奠定了基礎(chǔ);

（2） 滑模自抗擾控制策略利用滑?？刂七M(jìn)行擾動(dòng)補(bǔ)償，進(jìn)一步提升了控制器的擾動(dòng)觀測能力，從而提高了綠色建筑中逆變環(huán)節(jié)的并網(wǎng)成功率。

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收稿日期： 20240322

Design of a New Control Strategy for the Inverter Link in the Electrical

Installation and Management of Green Buildings

LIU Yangxu，WANG Qin

（Shandong Environmental Protection Development Group Ecology Co.， Ltd.， Jinan 250013， China）

Abstract： A fuzzy improved self disturbance rejection control strategy with linear self disturbance rejection control as the core control algorithm and sliding mode control as the auxiliary control algorithm is designed.Based on the mathematical model of the inverter link in a two-phase rotating coordinate system in green electrical buildings，the mathematical model of linear active disturbance rejection control is written.At the same time，a linear extended state observer and a linear error feedback law are constructed to improve the controller’s resistance to system disturbances and enhance the system’s anti-interference ability.Introducing sliding mode control to replace the proportional differential controller in linear active disturbance rejection control，further compensating for the impact of insufficient disturbance observation and improving the system’s disturbance observation ability.Finally，an inverter link in green building electrical was built on the MATLAB/Simulink digital simulation experimental platform，and a comparison was made between fuzzy improved self disturbance rejection and traditional proportional integral control.The results showed that the harmonic distortion rate of the inverter link under fuzzy improved self disturbance rejection was 2.3%，much lower than that of proportional integral control，and the success rate of grid connection was 95.6%.

Key words： green electrical buildings; inverter link; linear self disturbance rejection; sliding mode control