本發(fā)明屬于電力電子，具體涉及兩級式儲能變流器改進滑模自抗擾控制方法。

背景技術(shù)：

1、可再生能源作為未來能源體系的核心支柱，正以前所未有的速度發(fā)展。然而，可再生能源的間歇性和波動性給電網(wǎng)穩(wěn)定帶來了挑戰(zhàn)，儲能技術(shù)因此成為解決這一問題的關(guān)鍵。儲能變流器作為連接儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)的橋梁，其控制性能直接影響到儲能系統(tǒng)的效率與穩(wěn)定性。

2、儲能變流器的主要功能是實現(xiàn)電能的雙向轉(zhuǎn)換，即能夠?qū)㈦娋W(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電為儲能電池充電，同時也能將儲能電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給電網(wǎng)。通過精確的控制策略，儲能變流器能夠?qū)崿F(xiàn)對儲能電池充放電過程的精準管理，從而確保儲能系統(tǒng)的高效運行。隨著可再生能源的大規(guī)模接入，電網(wǎng)的波動性和不確定性增加，對儲能變流器的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供兩級式儲能變流器改進滑模自抗擾控制方法，在儲能變流器發(fā)生功率突變時，能更好地抑制輸出電流波動。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，兩級式儲能變流器改進滑模自抗擾控制方法，首先，建立儲能變流器在三相靜止坐標系下的數(shù)學模型，并將其轉(zhuǎn)換至d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下，將d、q軸的電流內(nèi)環(huán)耦合項和未建模部分以及內(nèi)環(huán)的內(nèi)外干擾視為內(nèi)環(huán)總擾動，并將其擴張為新的狀態(tài)變量，在此基礎(chǔ)上將其轉(zhuǎn)換為二階自抗擾范式形式，然后進行超螺旋擴張狀態(tài)觀測器的設(shè)計，將超螺旋擴張狀態(tài)觀測器中的不連續(xù)切換項sign函數(shù)采用雙曲線函數(shù)代替；設(shè)計隨著觀測誤差實時變化的變增益函數(shù)代替st-eso的線性增益；引入超螺旋積分終端滑模作為反饋控制器。

3、本發(fā)明的特點還在于：

4、具體按照以下步驟實施：

5、步驟1：建立兩級式儲能變流器在d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型，并轉(zhuǎn)換為二階自抗擾范式形式；

6、步驟2：控制器設(shè)計；

7、步驟2.1：功率外環(huán)控制器設(shè)計；

8、步驟2.2：電流內(nèi)環(huán)控制器設(shè)計；

9、步驟2.2.1：變增益超螺旋eso設(shè)計；

10、步驟2.2.2：超螺旋積分終端滑?？刂破髟O(shè)計。

11、步驟3：通過控制器獲得控制輸出，使用spwm調(diào)制得到占空比，將占空比應(yīng)用于儲能變流器開關(guān)管的控制中，從而實現(xiàn)儲能變流器的信號控制。

12、本發(fā)明的特點還在于，

13、步驟1具體為，

14、儲能變流器在并網(wǎng)工作的過程中，每個橋臂上下2個開關(guān)管工作狀態(tài)是互補的，因此，定義開關(guān)函數(shù)如下：

15、

16、式(1)中，j＝a,b,c，代表交流電網(wǎng)a、b、c三相；

17、根據(jù)基爾霍夫定律得儲能變流器在abc三相靜止坐標系下的電壓、電流關(guān)系方程為：

18、

19、式(2)中，ua、ub、uc為兩級式儲能變流器交流側(cè)三相電壓；isa、isb、isc為交流側(cè)三相電流；ea、eb、ec為交流電網(wǎng)電壓；l為濾波電感；cdc為直流側(cè)電容參數(shù)；r為線路等效電阻參數(shù)；ir為直流側(cè)變換器輸出電流；udc、ic為直流母線電壓、電流；ska、skb、skc分別為a、b、c三相橋臂開關(guān)控制信號；

20、將式(2)進行park變換，得到變流器在dq坐標系下的數(shù)學模型為：

21、

22、式(3)中，ω為電網(wǎng)電壓的角頻率；ed、id、sd分別為d軸的電網(wǎng)電壓、電流、開關(guān)函數(shù)，eq、iq、sq分別為q軸的電網(wǎng)電壓、電流、開關(guān)函數(shù)；l為濾波電感；udc、ic為直流母線電壓、電流。

23、步驟2.1具體為：

24、根據(jù)瞬時功率理論，為了使儲能變流器接近單位功率因數(shù)并網(wǎng)，無功電流恒等于0，在三相電網(wǎng)電壓平衡的條件下，儲能變流器網(wǎng)側(cè)的有功功率p和無功功率q的瞬時值表示為：

25、

26、由式(4)知，通過id和iq分別控制p和q，從而實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié)；將式(4)變形，當pref、qref給定時，通過計算，直接得到d、q軸電流參考值；但為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，引入pi調(diào)節(jié)器，p、q與p、q指令值的偏差經(jīng)過pi調(diào)節(jié)后，再根據(jù)瞬時功率理論，加上系統(tǒng)p和q的動態(tài)響應(yīng)，進而得到有功電流參考值idref和無功電流參考值iqref，如下式所示：

27、

28、式(5)中，pref、qref為給定有功功率及無功功率參考值，idref、iqref為d、q軸電流內(nèi)環(huán)參考值，kdp、kdi為d軸pi調(diào)節(jié)參數(shù)，kqp、kqi為q軸pi調(diào)節(jié)參數(shù)。

29、步驟2.2.1具體為，

30、首先，定義狀態(tài)變量d、q軸電流id、iq分別為xd1、xq1，由式(3)得：

31、

32、將d、q軸的電流內(nèi)環(huán)耦合項和未建模部分以及內(nèi)環(huán)的內(nèi)外干擾視為內(nèi)環(huán)總擾動，分別用fd1、fq1表示，將式(3)求導，轉(zhuǎn)換成adrc范式如下：

33、

34、式(7)中，bd、bq分別為d、q軸控制量的增益；

35、定義bdo、bqo為d、q軸控制量增益的估計值，令將式(7)轉(zhuǎn)化為以下形式：

36、

37、式(8)中，fd＝(bd-bdo)sd+fd1，fq＝(bq-bqo)sq+fq1，bdo、bqo為d、q軸控制量增益的估計值；

38、將fd、fq分別擴張為新的狀態(tài)變量zd3、zq3，設(shè)計超螺旋擴張狀態(tài)觀測器如下：

39、

40、式(9)中，zd1為xd1的估計值，zq1為xq1的估計值；zd2，zq2為導數(shù)的估計值，xd1為xq1導數(shù)的估計值；ed1為d軸觀測值與實際值之間差值，eq1為q軸觀測值與實際值之間差值；zd3為d軸耦合項、內(nèi)部擾動以及未建模部分等的總擾動fd的估計值，zq3為q軸耦合項、內(nèi)部擾動以及未建模部分等的總擾動fq的估計值；βd1、βd2、βd3、βq1、βq2、βq3為觀測器增益，當超螺旋eso的觀測誤差e接近0時，觀測器的表達形式線性擴張狀態(tài)觀測器表達形式一致，因此，采用帶寬法進行整定如下：

41、β1，β2，β3的取值條件：β1＝3ω0，β2＝3ω02，β3＝ω03；

42、為了減小系統(tǒng)抖振，提高超螺旋擴張狀態(tài)觀測器對內(nèi)環(huán)總擾動的觀測能力，提出了變增益超螺旋eso，將超螺旋擴張狀態(tài)觀測器中的不連續(xù)切換項sign函數(shù)采用雙曲線函數(shù)代替；其次，設(shè)計隨著觀測誤差實時變化的變增益函數(shù)代替st-eso的線性增益，以此提高對擾動的觀測能力；

43、切換函數(shù)sign表達式為：

44、

45、由式(10)可知，sign函數(shù)為一個不連續(xù)函數(shù)，當符號函數(shù)sign作為超螺旋滑模擴張狀態(tài)觀測器的切換函數(shù)時，會隨著觀測誤差產(chǎn)生不連續(xù)開關(guān)控制特性，由此出現(xiàn)抖振問題，影響系統(tǒng)的觀測精度，因此采用光滑的雙曲線函數(shù)f(ei)作為觀測器的切換函數(shù)；

46、雙曲線f(ei)函數(shù)表示為：

47、

48、改進型超螺旋eso表達式為：

49、

50、式(12)中，zd1為xd1的觀測器改進后估計值，zq1為xq1的觀測器改進后估計值；zd2為xd1導數(shù)的觀測器改進后估計值，zq2為xq1導數(shù)的觀測器改進后估計值；zd3為耦合項、內(nèi)部擾動以及未建模部分等的總擾動fd的觀測器改進后估計值，zq3為耦合項、內(nèi)部擾動以及未建模部分等的總擾動fq的觀測器改進后估計值；為觀測器改進后的變增益函數(shù)，如下所示：

51、

52、變增益l(t)的表示式為：

53、

54、式(14)中，ηi、σ均為可調(diào)正實數(shù)，σ決定了改進型超螺旋eso的觀測精度。

55、步驟2.2.2具體為，

56、定義系統(tǒng)狀態(tài)誤差d、q軸實際電流與參考電流偏差為ed、eq：

57、

58、根據(jù)式(15)電流偏差e，設(shè)計積分終端滑模面s如下：

59、

60、式(16)中，α，β，λ，η均為正常數(shù)，0＜γ＜1，p，q為正奇數(shù)，且

61、將式(16)滑模面s進行求導，并將式(8)代入，可得：

62、

63、根據(jù)等效控制理論，令得系統(tǒng)的等效控制律如下：

64、

65、為了削弱抖振，并加速系統(tǒng)狀態(tài)到達滑模面，引入超螺旋趨近律作為滑模切換控制部分，超螺旋控制律由兩部分組成，設(shè)計如下：

66、

67、式(19)中，l1、l2均為大于0的常數(shù)；

68、聯(lián)立式(18)和式(19)可得到系統(tǒng)整體控制律s，其表達式如下：

69、s＝seq+ssw(20)

70、將式(12)中eso的d、q軸變量觀測值代入，得變流器最終控制律律sd、sq為

71、

72、本發(fā)明的有益效果是：

73、本發(fā)明是兩級式儲能變流器改進滑模自抗擾控制方法，首先對pcs進行建模并將其轉(zhuǎn)化為二階自抗擾范式，在此基礎(chǔ)上進行觀測器以及控制器的設(shè)計。具體效果如下：

74、1)本發(fā)明兩級式儲能變流器改進滑模自抗擾控制方法中sign函數(shù)為一個不連續(xù)函數(shù)，當其作為超螺旋滑模擴張狀態(tài)觀測器的切換函數(shù)時，會出現(xiàn)由觀測誤差所產(chǎn)生的不連續(xù)開關(guān)控制特性。這種特性往往伴隨著抖振問題，會對系統(tǒng)的觀測精度造成干擾。因此，引入光滑的雙曲線函數(shù)f(ei)，將其作為觀測器的切換函數(shù)，以減小系統(tǒng)抖振，保持系統(tǒng)穩(wěn)定；

75、2)設(shè)計了可隨著觀測精度實時變化的變增益函數(shù)代替st-eso的固定值增益，以提升觀測器對擾動的觀測能力，提升系統(tǒng)的收斂速度；

76、3)本發(fā)明的超螺旋積分終端滑模采用超螺旋控制的思想，將傳統(tǒng)滑?？刂频幕瑒幽Ｊ礁臑槌菪\動模式，從而能夠更加高效、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)。這種控制方式在動態(tài)切換控制模式時，不會發(fā)生系統(tǒng)狀態(tài)的異常波動和不穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。同時，超螺旋積分終端滑模控制能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的高精度控制；

77、4)傳統(tǒng)滑?？刂浦校捎诟哳l切換量的存在，系統(tǒng)可能會產(chǎn)生抖振現(xiàn)象，而本發(fā)明這幾篇敏化超螺旋積分終端滑模使用積分來獲取實際控制量，不含高頻切換量，因此系統(tǒng)中沒有抖振現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時，超螺旋積分終端滑?？刂凭哂袠O強的魯棒性，能夠有效克服系統(tǒng)的不確定性，對干擾和未建模動態(tài)具有很強的抵抗能力。這使得系統(tǒng)在面對外部干擾或參數(shù)變化時，仍能保持良好的控制性能。