一种基于准比例谐振复合控制的从电源功率控制方法与流程

本发明属于单三相光储微网控制技术领域，具体涉及一种基于准比例谐振复合控制的从电源功率控制方法。

背景技术：

光伏、风电等分布式电源构成的微网系统作为一种新能源发电形式受到国内外学者的广泛关注。随着光伏发电工程越来越多地并入电网，国际电工委员会对光伏并网电流质量提出了较高的要求，逆变器作为并网的重要接口，其控制策略性能直接影响着输出电能质量。在微电网并网或者孤岛运行时，光伏逆变器均采用功率控制策略。针对微电网功率控制方法展开研究对提高微电网光伏逆变器控制性能，降低逆变器输出电流谐波具有重要意义。

现有技术文献中，文献acurrent-controlstrategyforvoltage-sourceinvertersinmicrogridsbasedonh∞andrepetitivecontrol(hornikt,zhongq.acurrent-controlstrategyforvoltage-sourceinvertersinmicrogridsbasedonh∞andrepetitivecontrol[j].ieeetransactionsonpowerelectronics,2011,26(3):943–952.)针对功率控制中的电流内环控制，作者提出了一种基于重复控制的电流控制策略。该策略可以有效抑制逆变器输出电流谐波含量，改善跟踪精度，但其动态性能不够理想。

文献full-feedforwardschemesofgridvoltagesforathree-phaselcl-typegrid-connectedinverter(liw,ruanx,pand,etal.full-feedforwardschemesofgridvoltagesforathree-phaselcl-typegrid-connectedinverter[j].ieeetransactionsonindustrialelectronics,2013,60(6):2237–2250.)将电网电压完全前馈补偿加入逆变器功率控制中，其中完全前馈补偿函数包括比例部分，一阶导数和二阶导数部分。电网电压前馈控制能够减少注入电流谐波的不平衡，但由于前馈信号幅值的限制，在实际应用中其对电网电压阶跃变化时暂态响应的改善较为有限。

文献evaluationofcurrentcontrollersfordistributedpowergenerationsystems(timbusa,liserrem,teodorescur,etal.evaluationofcurrentcontrollersfordistributedpowergenerationsystems[j].ieeetransactionsonpowerelectronics,2009,24(3):654–664.)提出了一种基于比例积分控制的功率控制策略。比例积分控制结构简单，在实际应用中易于实现，但传统比例积分控制在应对负载变化较大或者微源输出功率突变等情景时抗干扰能力较差。此外，还存在抑制谐波能力不足的问题。

技术实现要素：

针对以上不足，本发明提出一种基于准比例谐振复合控制的从电源功率控制方法，该方法是由准比例谐振控制和鲁棒控制组成的新型控制方法。相对于传统功率控制方法，该控制方法在应对输出功率波动和负荷波动时具有较好的动态特性，而且还具有较强的谐波抑制能力。

本发明采取的技术方案为：

一种基于准比例谐振复合控制的从电源功率控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立基于准比例谐振复合控制的从电源功率控制数学模型，其传递函数为：

其中，r(s)为控制通道传递函数；f(s)为准谐振控制器传递函数；k(s)为鲁棒反馈控制器传递函数，[k(s)+f(s)]r(s)组成主控制通道，其为闭环控制。

步骤2：求解鲁棒控制器的闭环系统输出传递函数，h∞控制问题可归结为使输入w到输出z的闭环传递函数的h∞范数极小，基于h∞控制问题，含有鲁棒控制器的闭环系统输出传递函数矩阵形式可表示为：

上式中，系统输入w＝[vg2irefa]^t，其中vg2为电网电压，iref为参考电流，a为内模延迟环节的输出；系统输出z＝[zezuzt]^t，其中ze、zu和zt表示内模延迟环节的输入、控制输出和系统鲁棒性能的系统输出量。u'表示控制输出信号，y表示量测输出信号，g为广义传递函数矩阵，k(s)为待设计的鲁棒控制器。

步骤3：构建状态空间方程、建立合适的加权函数，并设计鲁棒反馈控制器：

构建状态空间方程如下：

针对被控系统，选择电感电流if2，ig2和滤波电容电压vc2作为状态变量x＝[if2ig2vc2]^t，同时，w＝[vg2irefa]^t，输出y＝iref-ig2，可得到如下状态空间方程：

在状态方程中，为状态变量的一阶微分形式，a1为系统矩阵，b11、b12为输入矩阵，其中

其中，rf2、lf2和cf2为储能主电路中的电阻、电感和电容的值。

建立合适的加权函数:

基于对系统频率响应要求设计跟踪偏差加权函数we(s)为：

其中，m为s的频率响应的最大峰值，a为系统的最大稳态跟踪误差，为系统的最小带宽频率。

设计鲁棒反馈控制器：

基于被控对象的优化问题，设计鲁棒反馈控制器，该优化问题可描述为：

上式中，p为满足要求的鲁棒控制器集合，ξ为权重系数。灵敏度函数为s(s)＝[1+g(s)k(s)]^-1，补灵敏度函数为：tur(s)＝k(s)[1+g(s)k(s)]^-1。

鲁棒控制器输出到输入的闭环传递函数tyr(s)＝[1+g(s)k(s)]^-1g(s)k(s)＝i-s(s)。

wu(s)表示控制输出的加权函数，被用来控制输入信号的大小。

wt(s)表示系统稳定特性的加权函数，应保障在高频时的增益足够大。

求解上述优化问题，得到鲁棒反馈控制器k(s)。

步骤4：设计准比例谐振控制器，

准比例谐振控制器传递函数为：

其中，kp为比例参数，ki为谐振参数，与峰值增益成正比，起减少稳态误差的作用，ωc为截止频率，s为复频域算子，ω1为谐振基波角频率。

本发明采用上述方案，系统输出电流的动态跟踪特性以及谐波抑制能力得到优化，能够使光伏逆变器输出电流具有较好的动态特性及谐波抑制能力。

针对逆变器的功率控制，本发明方法将给定的功率参考值与实际功率的差值作为比例积分环节的输入。在电流环中，将电流指令值与实际电流值的差值作为准比例谐振控制器和鲁棒反馈控制器的控制信号，由准比例谐振控制和鲁棒反馈控制器控制输出电流。

本发明方法综合了准比例谐振控制和鲁棒控制的优点，能够使光伏逆变器输出电流具有较好的动态特性及谐波抑制能力。

附图说明

图1是光储微电网结构图。

图2是h∞控制结构图。

图3是本发明控制结构图。

图4(a)是接入非线性负载时基于本发明提出的功率控制方法电流波形图。

图4(b)是接入非线性负载时基于本发明提出的功率控制方法谐波总畸变率波形图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

图1是光储微电网结构图。该微电网由两个微电源组成，在孤岛运行时采用主从控制模式，一个微电源为主电源，另一个微电源为从电源。作为主控制单元的分布式电源采用恒压恒频控制，用于维持微电网孤岛运行时电压和频率的稳定。作为从控制单元的分布式电源采用功率控制。

图2是h∞控制结构图。图2中p(s)表示被控对象，g(s)为增广对象模型，k(s)为鲁棒控制器。u′表示控制输出信号，y表示量测输出信号，系统输入w＝[vg2irefa]^t，系统输出z＝[zezuzt]^t。h∞控制是使系统输入w到输出z的闭环传递函数的h∞范数极小。下面为含有鲁棒控制的闭环系统输出传递函数:

图3是本发明控制结构图。k(s)为鲁棒反馈控制器传递函数，依照微电网的相关参数。鲁棒控制器k(s)表达式为：

准比例谐振控控制器f(s)中：kp＝1，ki＝175，ω1＝314rad/s，ωc＝5rad/s。因此：

该功率控制方法由鲁棒控制和准比例谐振控制两部分组成。鲁棒控制在电流环参考信号处于稳定状态时起主要控制作用，能够改善系统的稳态控制性能，具有较强的扰动抑制能力。准比例谐振控制具有更好的动态性能，在动态响应中具有快速性。采用两种控制方法使光伏逆变器的功率控制策略具有较好的动态特性及谐波抑制能力。

图4(a)、图4(b)是接入非线性负载时基于本发明提出的功率控制方法测试波形图。图4(a)、图4(b)所示分别为基于本发明提出功率控制作用下的电流波形和谐波总畸变率。由于三相电压中相与相之间的差别很小，在此选择光伏逆变器输出电流a相做谐波分析。在负载端接入非线性负载时，电流环采用基于本发明提出的功率控制方法下的谐波总畸变率为3.95％。可以看出本发明所提出的控制策略在应对非线性负载时，具有良好的谐波抑制能力。