基于自抗擾的綠色建筑電氣安裝與管理中整流環(huán)節(jié)控制策略設(shè)計

摘 要：針對以風電為發(fā)電能源的綠色建筑電氣在安裝與管理中由于風電波動性而導(dǎo)致的建筑系統(tǒng)整流環(huán)節(jié)直流母線電壓穩(wěn)定性不足、波動性強等問題，設(shè)計了一種融合自抗擾控制策略和深度確定性策略的自適應(yīng)自抗擾控制策略。根據(jù)綠色建筑電氣中整流環(huán)節(jié)的拓撲結(jié)構(gòu)建立整流環(huán)節(jié)的數(shù)學模型，同時設(shè)計觀測器對系統(tǒng)中的干擾進行估計，設(shè)計誤差反饋律對擾動進行補償，提升系統(tǒng)的抗擾性，從而抑制直流母線電壓的波動現(xiàn)象。引入深度確定性策略，對自抗擾控制中的反饋系數(shù)進行自適應(yīng)整定，形成自適應(yīng)自抗擾控制，使控制器在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)下均具有最優(yōu)參數(shù)，提升直流母線電壓的穩(wěn)定性。最后，在MATLAB/Simulink數(shù)字仿真實驗平臺中搭建綠色建筑電氣系統(tǒng)整流環(huán)節(jié)的實驗?zāi)Ｐ?，并與其他控制策略進行同工況對比，驗證了所提控制策略的正確性和優(yōu)異性。

關(guān)鍵詞：綠色建筑電氣; 整流環(huán)節(jié); 自抗擾; 深度確定性策略; 穩(wěn)定性

中圖分類號： TU855 文獻標志碼： A 文章編號： 1674-8417（2024）09-0006-06

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.09.002

0 引 言

隨著全球環(huán)境問題日益嚴峻和人們對可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注不斷增加，綠色建筑作為一種能夠有效降低資源消耗、減少環(huán)境污染、提高建筑能源利用效率的建筑形式，越來越受到人們的重視。綠色建筑不僅可以減緩氣候變化對環(huán)境造成的傷害，還有助于提高生活質(zhì)量和減少能源消耗。在綠色建筑中，電氣安裝和管理起著至關(guān)重要的作用，而新能源技術(shù)的廣泛應(yīng)用更是綠色建筑實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。但由于綠色能源中風電存在波動性的缺點，導(dǎo)致綠色建筑電氣系統(tǒng)中的整流環(huán)節(jié)的直流母線電壓存在波動現(xiàn)象，從而使直流母線電壓的穩(wěn)定性降低［1-3］。針對綠色建筑電氣系統(tǒng)中直流母線電壓的穩(wěn)定性下降問題，文獻［4］設(shè)計了一種基于滑?？刂坪蜕窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法的改進滑?？刂撇呗裕？刂茖儆诜蔷€性控制算法，難以適應(yīng)復(fù)雜的系統(tǒng)，因此實效性較弱;文獻［5］以直流母線電壓為控制變量，以比例積分控制為控制器，設(shè)計了電壓反饋控制策略，但比例積分控制的抗擾性較弱，穩(wěn)定性提高并不明顯;文獻［6］融合了模糊控制和魯棒優(yōu)化控制，利用模糊控制的自適應(yīng)性對魯棒參數(shù)進行實時整定，雖使系統(tǒng)在任意狀態(tài)下均具有最優(yōu)參數(shù)，但模糊控制的編程部分較為復(fù)雜，降低了系統(tǒng)的可靠性。針對上述研究方法存在的缺點，本文設(shè)計了一種融合自抗擾控制策略和深度確定性策略的自適應(yīng)自抗擾控制策略。在MATLAB/Simulink中搭建了綠色建筑電氣系統(tǒng)整流環(huán)節(jié)的仿真實驗?zāi)Ｐ?，并與比例積分控制、滑?？刂七M行同工況對比，驗證了所提控制策略的正確性和優(yōu)異性。

1 綠色建筑電氣系統(tǒng)整流環(huán)節(jié)數(shù)學模型建立

綠色建筑電氣系統(tǒng)由發(fā)電環(huán)節(jié)、輸電環(huán)節(jié)、用電環(huán)節(jié)組成。發(fā)電環(huán)節(jié)將風能轉(zhuǎn)為電能，輸電環(huán)節(jié)對電能進行遠距離傳輸，并供給負載或電網(wǎng)使用。由于風能存在波動性，綠色建筑電氣系統(tǒng)的整流環(huán)節(jié)的直流母線電壓存在穩(wěn)定性不足問題。而傳統(tǒng)的比例積分控制的抗擾性較弱，并不能有效提升直流母線電壓的穩(wěn)定性，因此需設(shè)計合適的控制策略對綠色建筑電氣系統(tǒng)中的整流環(huán)節(jié)進行控制，從而提升直流母線電壓的穩(wěn)定性。綠色建筑電氣系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖1所示。

2 自適應(yīng)自抗擾控制策略設(shè)計

在電氣設(shè)計與管理領(lǐng)域中，自抗擾控制被視為一種重要的控制策略，用于抑制外部干擾對系統(tǒng)性能的影響。其核心思想是通過反饋控制機制提升系統(tǒng)的抗擾能力，并實現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化。自抗擾控制通過不斷監(jiān)測系統(tǒng)外部環(huán)境的變化和干擾，并及時進行調(diào)整和補償，以確保系統(tǒng)在面對外部干擾時能夠保持穩(wěn)定性和高效性。相較于傳統(tǒng)控制方法，自抗擾控制在電氣設(shè)計與管理中具有更強的魯棒性和適應(yīng)性，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境條件［10-12］。由于d軸的數(shù)學模型和q軸的數(shù)學模型具備結(jié)構(gòu)一致性，因此以下的設(shè)計僅以d軸進行。根據(jù)自抗擾要求形式，將式（4）中的d軸數(shù)學模型改寫為

綜上所述，在綠色建筑電氣安裝與管理中整流環(huán)節(jié)控制策略設(shè)計中，自抗擾控制策略的設(shè)計和實施可有效提高系統(tǒng)的抗擾能力和穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)在面對外部干擾和變化時能夠快速、準確地調(diào)節(jié)和適應(yīng)。通過引入自抗擾控制，可實現(xiàn)綠色建筑電氣系統(tǒng)的精準控制和優(yōu)化管理，有效提升系統(tǒng)的性能和效率。自抗擾控制下的直流母線電壓誤差隨時間的變化趨勢如圖4所示。

由圖4可知，在自抗擾控制下，直流母線的電壓誤差隨時間不斷下降，在1.0 s時誤差降低至1.9%，小于3%，滿足電壓誤差要求，因此自抗擾控制提升了電壓穩(wěn)定性。根據(jù)以上設(shè)計，AC/DC變換器的自抗擾控制策略設(shè)計流程圖如圖5所示。

為再次提高直流母線電壓的穩(wěn)定性，引入深度確定性策略，對自抗擾控制中的參數(shù)進行實時整定。深度確定性策略是一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和確定性策略梯度方法相結(jié)合的強化學習算法。這種策略在連續(xù)動作空間中完成動作選擇，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似值函數(shù)和策略函數(shù)，以實現(xiàn)高效的決策過程。深度確定性策略與自抗擾控制進行融合，形成自適應(yīng)自抗擾控制策略。建立深度確定性策略的輸入層為

3 實驗對比

為驗證所提出的自適應(yīng)自抗擾控制策略的正確性和優(yōu)異性，在MATLAB/Simulink數(shù)字仿真實驗平臺中搭建綠色建筑電氣系統(tǒng)整流環(huán)節(jié)的數(shù)字仿真模型，并與比例積分控制、滑模控制進行同工況對比。實驗參數(shù)如表1所示。

工況1：風電波動程度分別增加20%，40%，60%，80%。風電波動程度改變時的直流母線電壓突變量如表2所示。由表2可知，當風電波動程度分別為20%、40%、60%、80%時，3種控制策略下的電壓突變量僅有自適應(yīng)自抗擾控制策略的電壓突變量小于5 V，而其余兩類控制策略下的電壓突變量均大于5 V。因此對于風電波動擾動，自適應(yīng)自抗擾控制策略的抗擾性較強，即具有更好的電壓穩(wěn)定性。

工況2：負荷分別降低5%、10%、15%、20%、

由表3可知，在任意負荷降低程度下，自適應(yīng)自抗擾控制策略的電壓突變量小于3 V，而其余兩類控制策略下的電壓突變量均大于3 V，因此自適應(yīng)自抗擾控制策略提高了綠色電氣建筑系統(tǒng)中直流母線電壓的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

針對以風電為發(fā)電能源的綠色建筑電氣在安裝與管理中由于風電波動性而導(dǎo)致的建筑系統(tǒng)整流環(huán)節(jié)直流母線電壓穩(wěn)定性不足、波動性強等問題，設(shè)計了一種融合自抗擾控制策略和深度確定性策略的自適應(yīng)自抗擾控制策略，與比例積分控制、滑模控制進行同工況對比后，可得如下結(jié)論：（1） 引入自抗擾控制，提升了系統(tǒng)對擾動的抵抗能力，從而提升了綠色建筑電氣系統(tǒng)整流環(huán)節(jié)直流母線電壓的穩(wěn)定性。（2） 利用深度確定性策略對自抗擾控制的參數(shù)進行自適應(yīng)整定，提高了系統(tǒng)在擾動下的穩(wěn)定性，從而保證了系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

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收稿日期： 20240504

Design of Rectification Control Strategy in Electrical Installation and

Management of Green Buildings Based on Self Disturbance Rejection

WANG Qin， LIU Yangxu

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

A self-adaptive self disturbance rejection control strategy combining self disturbance rejection control strategy and deep deterministic strategy is designed to address the issues of insufficient stability and strong fluctuation of DC bus voltage in the rectification process of green building electrical systems using wind power as the energy source during installation and management due to wind power fluctuations.Establish a mathematical model for the rectification process in green building electrical systems based on the topology of the rectification process，and design an observer to estimate the interference in the system.Design an error feedback law to compensate for the disturbance and improve the system’s immunity，thereby suppressing the fluctuation phenomenon of DC bus voltage.Introducing a deep deterministic strategy to adaptively tune the feedback coefficients in self disturbance rejection control，forming an adaptive self disturbance rejection control that has optimal parameters in both transient and steady-state conditions，thereby improving the stability of DC bus voltage.Finally，an experimental model of the rectification section of the green building electrical system was built on the MATLAB/Simulink digital simulation experimental platform，and compared with other control strategies under the same operating conditions to verify the correctness and superiority of the proposed control strategy.Key words：

green building electrical; rectification process; self disturbance rejection; deep deterministic strategy; stability