一种基于谐波干扰观测器的电网电流复合预测控制方法与流程

1.本发明涉及一种基于谐波干扰观测器的电网电流复合预测控制方法，属于电力技术领域。


背景技术：

2.随着全球电能的不断消耗、环境问题日益加剧，其中化石燃料作为人类消耗的主要能源，其使用过程中由于处理不当带来了不良的影响，在我国坚持贯彻可持续发展战略的前提下，人们的环保。意识逐渐增强，越来越多的绿色能源被人类开发和利用。传统的电网形式(发电、配电和用电)也在发生的变化。其中，在新能源发电方面，以风力发电、氢能源、太阳能等等为代表的可再生清洁能源在国内备受青睐，2017年我国的风能与太阳能发电同比2016年增长了34％、74％。水利发电、风力发电、核能发电、天然气、太阳能发电等绿色能源占总量的18％。中国社科院预测：中国可再生能源需求将持续增长，新能源占比到2020年将达到16％，预计将超过石油。
3.在新能源发电系统中，大多数都采用三相逆变器作为接口电路来实现能量转换与并网发电。在逆变器发电系统中，与传统火力发电不同的是，风能、太阳能等新能源电力具有空间尺度上的低密度分散性与时间尺度上的强随机波动性。新能源电力大规模的接入会导致电网的“荷”、“源”呈现出强随机性和波动性，给电网的运行以及控制带来巨大的挑战。随着新能源的不断加入，以光能为主的新能源并网逆变器大规模接入电网，导致电网的安全稳定运行能力也随之下降。在并网过程中，在逆变过程中面临着多种干扰，不仅有逆变器本身带来的干扰，还有电网中自身所存在的干扰。本身逆变器通过pwm控制，逆变器的输出结果会携带高次谐波，虽然通过了滤波器进行滤波，但是得到的结果依旧不是很理想，仍然存在耦合谐波干扰及点电压波动的问题。而电力电子系统性能在运行过程中还受到多种形式未知扰动的影响，如外界环境或工况变化引起的电路输入电压、负载功率、电感及电容、寄生电阻等参数摄动。更为重要的是，这些干扰表现为多种形式，如电路参数是时变的，以及外部环境的不确定性，它们可能表现为谐波变量，阶跃变量、斜坡或抛物线等高阶特征变量形式，这些干扰的存在会严重影响系统控制性能。其中，逆变过程本身携带的干扰对逆变过程的影响很大，因此，本发明提供一种基于谐波干扰观测器的电网电流复合预测控制方法，设计复合控制策略，针对并网逆变器开关动作引起的谐波干扰，设计谐波干扰观测器对谐波干扰进行实时估计与前馈补偿；进而，基于干扰前馈补偿项，设计复合预测控制器，在电网电压存在波动的情况下实现电流的鲁棒跟踪控制；最后，通过合理选取复合控制器参数，同时保证系统抗干扰能力与闭环稳定性，最终使得并网逆变器输出稳定的三相电压和电流。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于谐波干扰观测器的电网电流复合预测控制方法，补偿电网逆变过程的谐波干扰及抑制电网端存在的电压波动
干扰，保证系统抗干扰能力与闭环稳定性，很好地满足电网并网需求。
5.为了实现所述目的，本发明的技术方案为：利用锁相环提取电网实时的相频数据，结合检测到的相频数据，将电网实际的电流进行abc—dq变化，得到电网实际的dq轴电流值作为电流控制器的反馈信号；针对谐波干扰设计干扰观测器，对干扰进行观测，通过内环前馈补偿，然后通过设计模型预测控制器，选取合理的参数，进行控制调节，对电网侧存在的电压波动干扰进行抑制，最终得到稳定的电流控制输出，进而控制逆变器，从而向电网输出高质量的电压和电流信号。
6.本发明一种基于谐波干扰观测器的电网电流复合预测控制方法，步骤如下：
7.第一步，对电网逆变过程所涉及的锁相环、电流控制器、电压源逆变器、lcl滤波器组成部分运用基尔霍夫定律并结合同步坐标变换，得出dq轴电流所满足的微分方程；将开关谐波干扰的动态特性与dq轴电流微分方程结合，建立面向电流跟踪控制的状态空间模型；
8.第二步，根据电流跟踪控制的状态空间模型和开关谐波干扰的动态特性，设计谐波干扰观测器，对逆变器开关动作所产生的谐波干扰进行实时估计与补偿；
9.第三步，基于电网中存在的电压波动、电压突变和电压闪动的不确定因素，根据第一步的电流跟踪控制的状态空间模型，设计模型预测控制器，保证不确定因素下电网电流跟踪控制的鲁棒性；
10.第四步，将第二步的谐波干扰观测器与第三步的模型预测控制器复合，得到含谐波干扰前馈补偿项的复合预测控制律，实现逆变器开关谐波与电网电压未知波动的同时补偿与抑制。
11.所述第一步中，dq轴电流微分方程为：
[0012][0013][0014]
其中w
d
和w
q
代表系统产生的谐波干扰w在dq轴的映射，l
t
＝l
g
l
c
，l
g
、l
c
分别为lcl滤波器电网端的电感值和逆变器侧的电感值，r
t
＝r
g
r
c
，r
g
、r
c
分别为lcl滤波器电网端的电阻值和逆变器侧的电阻值，u
cd
和u
cq
分别为dq轴输入电压，u
gd
和u
gq
分别为dq轴电网电压，i
gd
和i
gq
分别为dq轴电网电流；
[0015]
电流跟踪控制的状态空间模型为：
[0016][0017]
y＝cx
[0018]
其中：
[0019][0020]
状态向量x＝[i
q
,i
d
]，输入向量u＝[u
cd
,u
cq
]，其中u
cd
＝u
cd
‑
u
gd
,u
cq
＝u
cq
‑
u
gq
,u
cd
和
u
cq
分别为dq轴输入电压，u
gd
和u
gq
分别为dq轴电网电压，谐波干扰w0＝[w
d
,w
q
]，w
d
、w
q
分别为dq轴所受到的谐波干扰，l
t
＝l
g
l
c
，r
t
＝r
g
r
c
，r
c
和r
g
是逆变器和电网电感的等效电阻。
[0021]
所述第二步中，设计干扰观测器如下：
[0022][0023]
其中为干扰估计值，u为并网逆变器系统的控制输入，a、b为后续推导过程中的状态空间方程的矩阵a、b，x为状态向量，l为设计值，决定极点位置，z为中间变量。设计l值，让lb为hurwitz矩阵或符号为负，使得干扰的估计值逼近干扰真值，即当lb矩阵为负或是hurwitz矩阵时，让估计的干扰值更加精确。
[0024]
所述第三步中，模型预测控制器，针对电网模型进行预测控制器设计和在线控制，模型预测控制算法如下：
[0025][0026]
将问题变为凸二次规划问题，对凸二次规划问题求解，得到的u
k
的第一个元素提取出来，作为本控制周期的控制量，再进行循环，在下一时刻再进行上述步骤，得到当前时刻的控制量，在线滚动优化，得到实时的控制结果，其中u
k
为预测时域内的控制量，h和f
t
为约束项；
[0027]
u
k
＝[u(k|k)
t
u(k 1|k)
t
…
u(k m
‑
1|k)
t
u(k m|k)
t
…
u(k p
‑
1|k)
t
]
t
，p为预测时域，m为控制时域，括号中的u(k 1|k)表示在k时刻预测k 1时刻的控制量，以此类推。
[0028]
h＝2(θ
t
qθ w)
[0029]
f
t
＝2e
t
qθ
[0030]
其中e＝ψx(k)
‑
r
k
，x(k)为系统k时刻状态，r
k
＝[r(k 1)
t r(k 2)
t
ꢀ…ꢀ
r(k p)
t
]
t
为预测时域内的参考序列，r(k 1)代表k 1时刻的参考值，以此类推，
[0031][0032]
为离散化后的系统状态矩阵，q、w为求解优化问题的约束矩阵。
[0033]
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用干扰观测器，针对并网逆变器开关动作引起的谐波干扰，设计谐波干扰观测器对谐波干扰进行实时估计与前馈补偿；进而，基于干扰前馈补偿项，设计复合预测控制器，在电网电压存在波动的情况下实现电流的鲁棒跟踪控制；最后，通过合理选取复合控制器参数，同时保证系统抗干扰能力与闭环稳定性，最终使得并网逆变器输出稳定的三相电压和电流。
附图说明
[0034]
图1是本发明的复合控制器设计的流程框图；
[0035]
图2是本发明的电流预测控制器结合dobc控制策略的框图；
[0036]
图3是本发明仿真跟踪存在电网电压波动干扰的dq轴电流参考输入的仿真图；
[0037]
图4是本发明仿真原始pi控制方法电网实际三相电流仿真图；
[0038]
图5是本发明仿真复合控制方法电网实际三相电流仿真图。
具体实施方式
[0039]
本发明应用于电网逆变系统中，具体实施过程如下：首先在电网耦合点(pcc)通过锁相环(pll)对电网实际相频进行提取，得到电网的实时相位θ
pcc
，将其作为同步坐标变换器的输入，同时将经过lcl滤波器后电网实际的电流值i
g,abc
也作为同步坐标变换器的输入信号，与电网相位信息结合，进行同步坐标变化，得到实际电网电流的同步坐标系的值i
g,dq
，然后将i
g,dq
与参考电流作为输入，通过流复合控制器，进行电流抗干扰控制，得到稳定的电流输出，此控制输出值对pwm进行控制，得到逆变所需的pwm波，进而对逆变器的igbt的开关进行开关控制，从而控制逆变过程，最终使得逆变器输出的电压和电流波形与电网耦合点得到的实际电网电压电流波形同频同相，为电网输送高质量的电压和电流。
[0040]
以下将结合图和具体实施过程对本发明作进一步详细说明：
[0041]
如图1所示，本发明具体实施如下：
[0042]
步骤1，对逆变过程进行数学模型建立，具体实现过程如下：
[0043]
如图1所示的逆变过程建模，对lcl滤波器进行dq坐标轴微分方程建立，建模结果如下：
[0044][0045][0046][0047]
其中ω为电感工作角频率，c
f
为滤波器电容，是电容电压，是电感l
g
的电压，为逆变器电压，l
g
＝l
g1
l
g2
，l
g1
、l
g2
、l
c
为摘要附图中电感值,r
c
和r
g
是逆变器和电网电感的等效电阻，和分别为电感l
g
、l
c
和电容c
f
的电流。进而，通过同步坐标变换可以得到系统在dq轴中的关系式，同时考虑到谐波干扰进行建模，方程如下：
[0048][0049][0050]
其中w
d
和w
q
代表系统产生的谐波干扰w在dq轴的映射，l
t
＝l
g
l
c
，r
t
＝r
g
r
c
，u
cd
和u
cq
分别为dq轴输入电压，u
gd
和u
gq
分别为dq轴电网电压，i
gd
和i
gq
分别为dq轴电网电流。
[0051]
步骤2，对实际电网的相频信息进行提取，具体的锁相环提取过程如下：
[0052]
一般情况下，电网的三相电压v
abc
如下：
[0053][0054]
在经过鉴相器时，首先经过clarke变换，在αβ静止坐标系表示如下：
[0055][0056]
其中，为电网实际角频率，且：
[0057][0058]
然后，经过park变换，在dq旋转坐标系的表达式如下：
[0059][0060]
其中：
[0061][0062]
θ'为旋转坐标系的相角。
[0063]
当旋转坐标系与电压矢量同步时，d轴分量与电压矢量基频方向重合，此时此时，同步之后的表达式为，
[0064][0065]
此时锁相环完成锁相，得到电网实时的频率和幅值信息θ
pcc
。
[0066]
步骤3，结合提取的实时相位信息θ
pcc
，对电网电流i
g,abc
进行同步坐标变换，具体的变换过程如下：
[0067]
一般情况下，电网的三相电流i
g,abc
如下：
[0068][0069]
首先经过clarke变换，在αβ静止坐标系表示如下：
[0070][0071]
其中，i为电网电流幅值，
[0072][0073]
然后，经过park变换，在dq旋转坐标系的表达式如下：
[0074][0075]
其中：
[0076][0077]
此时则：
[0078][0079]
至此完成了电流的同步坐标变换，得到了dq轴电网电流信号i
dq
。
[0080]
步骤4，如图1所示设计干扰观测器，对谐波干扰进行实时前馈补偿。如图2所示的复合控制器框图，其中，d为逆变过程产生的谐波干扰；y为输出电流；r为参考输入；红色虚线框内即为干扰观测器。从图2中可以明显看到dobc所具有的内外环结构，内环为干扰观测器，外环为反馈控制器。针对谐波干扰，对干扰观测器进行设计，具体的设计过程如下所示：
[0081]
系统模型进行同步坐标变换，得到的dq坐标系方程：
[0082][0083][0084]
其中w
d
和w
q
代表系统dq轴系统产生的谐波干扰，l
t
＝l
g
l
c
，r
t
＝r
g
r
c
，u
cd
和u
cq
分别为dq轴输入电压，u
gd
和u
gq
分别为dq轴电网电压，i
gd
和i
gq
分别为dq轴电网电流。
[0085]
为了便于控制设计，将dq微分方程写成状态空间表达式，其系统的状态空间方程建立如下：
[0086][0087]
y＝cx
[0088]
其中：
[0089][0090]
状态向量x＝[i
q
,i
d
]，输入向量u＝[u
cd
,u
cq
],其中u
cd
＝u
cd
‑
u
gd
,u
cq
＝u
cq
‑
u
gq
,谐波干扰w0＝[w
d
,w
q
]，w
d
、w
q
分别为dq轴所受到的谐波干扰，l
t
＝l
g
l
c
，r
t
＝r
g
r
c
，r
c
和r
g
是逆变器和电网电感的等效电阻。通过状态空间表达式，进行干扰观测器设计，得到干扰观测器：
[0091][0092]
其中为干扰估计值，u为逆变器控制输入，l为设计增益值，决定极点位置，z为中
间变量，定义干扰估计误差：其中d为实际干扰，求导并代入上式可得：
[0093][0094]
只要让lb为hurwitz矩阵或符号为负，即可使干扰的估计值逼近干扰真值。
[0095]
本发明中实际系统模型与标称模型不完全符合，所以从标称模型中拿到的状态x并非真实的状态x，但考虑到标称模型和真实模型是较为接近的，而且从原始输出难以还原真实模型的状态x，所以还是用标称模型中取出的状态来估计干扰d。至此完成干扰观测器设计。
[0096]
步骤5，如图1所示，进行模型预测控制器设计，针对电网模型进行预测控制器设计和在线控制，具体实现方法如下：
[0097]
将dq轴电流微分方程写成状态空间表达式，具体地，忽略干扰影响，建立逆变过程的状态空间表达式如下：
[0098][0099]
其中：
[0100][0101]
状态向量x＝[i
q
,i
d
]，输入向量u＝[u
cd
,u
cq
]，其中u
cd
＝u
cd
‑
u
gd
,u
cq
＝u
cq
‑
u
gq
,u
cd
和u
cq
分别为dq轴输入电压，u
gd
和u
gq
分别为dq轴电网电压，l
t
＝l
g
l
c
，r
t
＝r
g
r
c
，r
c
和r
g
是逆变器和电网电感的等效电阻，基于上述状态空间表达式，采用如下方式设计预测控制器。
[0102]
采用前向欧拉法将状态方程离散化：
[0103][0104]
x(k 1)＝(i ta)x(k) tbu(k)
[0105][0106]
t为离散时间间隔，其中：
[0107][0108]
记未来p个周期的预测的系统状态为：
[0109]
x
k
＝[x(k 1|k)
t
x(k 2|k)
t
…
x(k p|k)
t
]
t
[0110]
其中，p为预测时域，括号中的k 1|k表示在当前k时刻预测k 1时刻的系统状态，以此类推。另外，在预测系统未来状态时，还需要知道预测时域内的控制量u
k
，而控制时域为m，且m≤p，在m＝p时，控制时域内u
k
为：
[0111]
u
k
＝[u(k|k)
t
u(k 1|k)
t
…
u(k p
‑
1|k)
t
]
t
[0112]
当m<p时，在k i时刻，其中m≤i≤p
‑
1，u(k i|k)
t
为系统稳定状态时的控制量，其
中u(k m|k)
t
＝u(k m 1|k)
t
＝
…
＝u(k p
‑
1|k)
t
[0113]
此时u
k
为：
[0114]
u
k
＝[u(k|k)
t
u(k 1|k)
t
…
u(k m
‑
1|k)
t
u(k m|k)
t
…
u(k p
‑
1|k)
t
]
t
[0115]
是接下来要求解的优化问题的决策变量。
[0116]
进而，通过离散化方程依次对未来p个预测周期系统状态进行预测：
[0117][0118]
整合成矩阵形式：
[0119]
x
k
＝ψx(k) θu
k
[0120]
其中：
[0121][0122]
下一步列出优化的代价函数，首先定义预测时域内的参考序列：
[0123]
r
k
＝[r(k 1)
t r(k 2)
t
ꢀ…ꢀ
r(k p)
t
]
t
[0124]
用预测状态量与参考值之间的累计误差定义优化代价函数，同时，添加对控制量的约束项：
[0125]
j(u
k
)＝(x
k
‑
r
k
)
t
q(x
k
‑
r
k
) u
kt
wu
k
[0126]
q、w为约束矩阵，此时，优化问题可以描述如下：
[0127][0128]
s.t.|u(k j|k)|≤u
max
,j＝0,1,2,
…
p
‑1[0129]
将优化函数j(u
k
)展开后合并同类项：
[0130][0131]
式中e
t
qe是常数项，对最优问题求最小值没有影响，可以舍去：
[0132]
令
[0133]
h＝2(θ
t
qθ w)
[0134]
f
t
＝2e
t
qθ
[0135]
可得最终优化目标函数：
[0136][0137]
最终将问题转换成一个凸二次规划问题，对二次规划问题求解，得到的u
k
的第一个元素提取出来，作为本控制周期的控制量，再进行循环，在下一时刻再进行上述步骤，得到当前时刻的控制量，在线滚动优化，得到实时的控制结果。
[0138]
步骤6，通过干扰观测器结合预测控制器，实现逆变器开关谐波与网侧电压波动条件下电网电流的抗干扰跟踪控制，得到逆变器的控制输入，进而对逆变器进行控制，完成直流电压向交流电压的转换，使得逆变器向电网输送高质量的电压和电流。
[0139]
以下是本发明所述的基于谐波干扰观测器的电网电流复合预测控制方法的仿真实验：
[0140]
直流电压v
dc
为380v，滤波器电容c
f
为10μf，逆变器端电感l
c
为4mh，电网端电感l
g
为2mh，并网逆变器开关频率为10khz，电网电压公共频率为50hz，等效电阻r
t
为2ω。干扰观测器l设计为[
‑
100；0
‑
10]，pi控制器参数p为2、i为2。预测控制器参数设置为：采样时间1e
‑
4，预测步长p为20，控制步长m为5，约束上下限分别为25和
‑
25。仿真时长为1s，在0.3秒处加入一个电压突变，突变幅度为30。
[0141]
由图3可以看到simulink仿真，其结果为带电网电压波动干扰的情况下，跟踪参考电流的d轴电流波形。其中参考电流幅值为10，在d轴的跟踪结果如图3所示，可见在0.3秒出存在电压幅值波动干扰，但在复合控制器的控制跟踪下，电流幅值很快继续对参考值进行跟踪，及时的对干扰进行了抑制和补偿，很好的跟踪了参考电流，在其稳态过程中，存在波动，但是误差绝对值小于0.05，可见误差很小，因此也可以判断，电流跟踪进入稳态后，拥有十分好的跟踪效果。图4为电网在仅使用原始pi控制器进行控制情况下的仿真结果图，从图中可以看到，在0.3秒电压波动时会产生一个较大的波动，且三相电流在稳态中存在谐波干扰，使得三相电流的波形畸变。相比于原始pi控制器，通过复合控制器对电流进行跟踪控制，在实际电网中得到的三相电流波形如图5所示，从图中可以看出，在0.3秒的时候存在波动，通过复合控制器很快将干扰抑制，并将三相电流波形调整回来，复合控制器有很好的快速性，而在稳态状态中，三相电流信号与电网所需的三相电流信号一致，很好的补偿了谐波干扰。可见相比于原始pi控制器，通过复合控制器控制得到的三相电流有十分好的稳态性能。
[0142]
由此可以判断，针对电网逆变过程的复合观测器拥有对谐波干扰和电网电压波动干扰的补偿和抑制能力。因此，本发明的方法能够提高电流跟踪控制的精确性和鲁棒性，改善电网用户的用电质量。