一種光伏lcl型并網(wǎng)逆變器的控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光伏LCL型并網(wǎng)逆變器的控制方法，其主要技術(shù)特點(diǎn)是：考慮光伏LCL型并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)具有輸入不確定性故障和執(zhí)行器故障，建立故障數(shù)學(xué)模型，并設(shè)定固定控制分配律；根據(jù)故障數(shù)學(xué)模型，建立系統(tǒng)狀態(tài)高階滑模觀測器及其狀態(tài)估計(jì)誤差，并采用高階滑模觀測器對系統(tǒng)故障信息實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的估計(jì)；根據(jù)故障數(shù)學(xué)模型、固定控制分配律、高階滑模觀測器及其狀態(tài)估計(jì)誤差，構(gòu)建連續(xù)積分滑模容錯(cuò)控制器數(shù)學(xué)模型，用于直接處理執(zhí)行器故障。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，能夠較好地實(shí)現(xiàn)參數(shù)不確定故障和執(zhí)行器故障下的穩(wěn)定控制，顯現(xiàn)出良好的跟蹤性能和容錯(cuò)能力；為大型光伏LCL型并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種新思路，具有良好的工程應(yīng)用前景。
【專利說明】
-種光伏LCL型并網(wǎng)逆變器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于智能電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種光伏LCL型并網(wǎng)逆變器的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光伏LCL型并網(wǎng)逆變器是一類典型的開關(guān)型非線性系統(tǒng)。由于線性控制方法在該 類系統(tǒng)中受到極大的限制，尤其在快速性、精確性方面更是不佳，因而，現(xiàn)代非線性控制方 法在光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的應(yīng)用成為了當(dāng)前逆變器控制的研究熱點(diǎn)之一。目前逆變器控制 應(yīng)用方案主要有雙閉環(huán)控制、無差拍控制、重復(fù)控制等，雖然都對逆變器的性能有所改進(jìn)， 但也存在不同程度的問題。
[0003] 故障容錯(cuò)控制可W依據(jù)檢測故障信息來構(gòu)成不同的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并依此分為主 動和被動兩種容錯(cuò)控制，且兩種容錯(cuò)控制方法的可行性取決于故障的可恢復(fù)性、補(bǔ)償性?？?制分配方法具有虛擬控制律與控制指令分配相互獨(dú)立設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，是目前解決執(zhí)行器和 (或)傳感器冗余控制問題較為有效的方法。滑模控制具有很強(qiáng)的魯棒性，可使系統(tǒng)具有良 好的動態(tài)性能。胡慶雷設(shè)計(jì)了一種新型終端滑模故障容錯(cuò)姿態(tài)控制方案，W解決航天器冗 余執(zhí)行器存在故障與控制受限的姿態(tài)跟蹤控制問題，該控制策略可W有效地抑制航天器遭 受的外部干擾和執(zhí)行器故障等。為了解決模塊化多電平變流器由于故障引起的功率損耗問 題，申科借用一種電容電壓的冗余排序法提出一種容錯(cuò)控制策略，與普通載波層疊脈寬調(diào) 制方法相比，該方法避免了其固有的功率不均衡問題。王發(fā)威從多操縱面飛機(jī)的快速平穩(wěn) 控制問題出發(fā)，構(gòu)建了一種基于控制分配的積分滑模主動容錯(cuò)方法，同時(shí)提出了一種基于 動態(tài)自適應(yīng)加權(quán)偽逆法的積分滑模主動容錯(cuò)方法，實(shí)現(xiàn)了多操縱面飛行器損傷故障時(shí)的容 錯(cuò)控制。研究表明控制分配性能和滑?？刂撇呗缘牧己媒Y(jié)合，可使系統(tǒng)得到更強(qiáng)的魯棒性， 有利于減小由于干擾及模型不確定性引起的系統(tǒng)誤差。在光伏LCL型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的故障 容錯(cuò)控制方面并沒有太多的研究文獻(xiàn)。
[0004] 在實(shí)際運(yùn)行中，光伏LCL型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的工作狀態(tài)通常存在著諸多的干擾，其中 主要干擾因素包括系統(tǒng)參數(shù)的不確定性故障和外界干擾故障，因此對其故障干擾信息進(jìn)行 有效準(zhǔn)確地估計(jì)尤為重要。針對存在執(zhí)行器故障的非線性系統(tǒng)，2013年劉春生等在研究H2 容錯(cuò)控制器中，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)了系統(tǒng)故障，結(jié)合滑?？刂平o出了具有指定穩(wěn)定度的H2 控制律，并在空間飛行器的控制系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真應(yīng)用。在文獻(xiàn)中，設(shè)計(jì)積分滑模容錯(cuò)控制 器中，采用了一個(gè)二階狀態(tài)觀測器對故障狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。目前，關(guān)于光伏LCL型并網(wǎng)逆變系 統(tǒng)的故障信息估計(jì)問題的研究報(bào)道并不多見。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計(jì)合理并且具有良好穩(wěn)態(tài)和 動態(tài)性能的光伏LCL型并網(wǎng)逆變器的控制方法。
[0006] 本發(fā)明解決現(xiàn)有的技術(shù)問題是采取W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種光伏LCL型并網(wǎng)逆變器的控制方法，包括W下步驟：
[0008] 步驟I、考慮光伏LCL型并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)具有輸入不確定性故障和執(zhí)行器故障，建 立故障數(shù)學(xué)模型，并設(shè)定固定控制分配律；
[0009] 步驟2、根據(jù)故障數(shù)學(xué)模型，建立系統(tǒng)狀態(tài)高階滑模觀測器及其狀態(tài)估計(jì)誤差，并 采用高階滑模觀測器對系統(tǒng)故障信息實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的估計(jì)；
[0010] 步驟3、根據(jù)故障數(shù)學(xué)模型、固定控制分配律、高階滑模觀測器及其狀態(tài)估計(jì)誤差， 構(gòu)建連續(xù)積分滑模容錯(cuò)控制器數(shù)學(xué)模型，用于直接處理執(zhí)行器故障。
[0011] 所述步驟1建立的故障數(shù)學(xué)模型為：
[0012]
[0013] 其中，Ag表示系統(tǒng)可能存在的輸入不確定矩陣，Bg表示執(zhí)行器故障矩陣，并(B+Bg) = B(I-K(t))，對角加權(quán)矩陣K(t) = diag化i(t)，k2(t)，k3(t)}為執(zhí)行器故障殘余效能矩陣， 且0<山(*)<1(1 = 1，2,3)，當(dāng)山(〇分別等于1、0時(shí)，第1個(gè)執(zhí)行器處于故障和無故障狀態(tài)。
[0014] 所沐巧驟1巧定的固定控制分配律為：
[0015]
[0016] 其中vi(t) GRiXi為執(zhí)行器無故障時(shí)的額定虛擬控制量，Vi(t)用來補(bǔ)償執(zhí)行器故 障。
[0017] 所述步驟2建立的高階滑模觀測器如下：
[001 引
123456
[0019] 高階滑模觀測器的狀態(tài)估計(jì)誤差為：

與成的偽逆，分布矩陣 ^
" 為一非線性函數(shù)， 2 ，
3 所述步驟3構(gòu)建連續(xù)積分滑模容錯(cuò)控制器數(shù)學(xué)模型時(shí)的積分滑模面如下： 4
[0023]
5 其中，G G RiX3為投影矩陣，滿盾
6 所述步驟3構(gòu)建連續(xù)積分滑模容錯(cuò)控制器數(shù)學(xué)模型時(shí)的狀態(tài)估計(jì)反饋控制量 ,，。(〇 =-喊〇，其中!^即"％反饋增益，估計(jì)動態(tài)誤差巧〇 =巧)-撕），則閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能 為：
[0026]
[0027] ，函勤
軌滿足
邑f為一足夠小的正常數(shù)，其局部LipscMtz于玄，Vf >0均勻于t; 同時(shí)，據(jù)中不相匹配的執(zhí)行器故障為一非零函數(shù)。
[0028] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：
[0029] 1、本發(fā)明建立光伏LCL型并網(wǎng)逆變器在不確定性故障和執(zhí)行器故障情況下的數(shù)學(xué) 模型，提出一類基于高階滑模觀測器的連續(xù)積分滑模容錯(cuò)控制分配方法:首先，充分發(fā)揮控 制分配所具有的虛擬控制律與控制指令分配相互獨(dú)立設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)控制分配律，建立 光伏LCL型并網(wǎng)逆變器在不確定性故障和執(zhí)行器故障情況下的數(shù)學(xué)模型;其次，設(shè)計(jì)一類高 階滑模觀測器，對光伏LCL型并網(wǎng)逆變器故障信息進(jìn)行有效估計(jì)，使光伏LCL型并網(wǎng)逆變器 跟蹤參考模型；然后利用連續(xù)積分滑?？刂评碚摵涂刂品峙渎桑O(shè)計(jì)一個(gè)連續(xù)的基于固定 控制分配方案的積分滑?？刂破?，W直接處理執(zhí)行器故障，確保在參數(shù)不確定和執(zhí)行器故 障下的閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0030] 2、本控制方法能夠使得光伏LCL型并網(wǎng)逆變器在額定參數(shù)下運(yùn)行時(shí)，啟動速度快， 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中并網(wǎng)電壓、電流基本不發(fā)生崎變，波形為光滑的正弦波，網(wǎng)側(cè)電壓THD為 0.021 %，波形崎變很小，并網(wǎng)電壓、電流幾乎無諧波存在。
[0031] 3、本控制方法能夠W非常接近理想值的精度對給定值實(shí)行跟蹤，而且能很好保證 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的安全性：當(dāng)光伏LCL型并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)Rs發(fā)生故障時(shí)，系 統(tǒng)并網(wǎng)電壓、電流變化極小，在極短時(shí)間內(nèi)就過渡到相應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)，過渡過程中基本無崎 變，表明逆變器在受參數(shù)不確定性故障的影響下，系統(tǒng)并網(wǎng)電壓、電流穩(wěn)定，曲線變化平滑， 崎變小，基本沒有受到故障的影響。
[0032] 4、本控制方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障下的穩(wěn)定控制，顯現(xiàn)出良好的跟蹤性能和 容錯(cuò)能力：當(dāng)光伏LCL型并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在其直流側(cè)輸入電壓化發(fā)生故障干擾，雖 然輸出電壓和電流在出現(xiàn)了波動，但系統(tǒng)輸出電壓、電流發(fā)生了極小的變化，在極短時(shí)間內(nèi) 就過渡到相應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)，過渡過程中基本無崎變但在一個(gè)周期內(nèi)干擾即被消除，表明逆 變器在受參數(shù)不確定性的影響下，其輸出電壓、電流啟動速度快，波形基本無崎變。
[0033] 5、本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，能夠較好地實(shí)現(xiàn)參數(shù)不確定故障和執(zhí)行器故障下的穩(wěn)定控 審IJ，顯現(xiàn)出良好的跟蹤性能和容錯(cuò)能力;為大型光伏LCL型并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了 一種新思路，具有良好的工程應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0034] 圖1是典型光伏LCL型并網(wǎng)逆變器拓?fù)鋱D結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖2是本發(fā)明在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓和電流曲線圖；
[0036] 圖3是本發(fā)明在系統(tǒng)參數(shù)Rs變化時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓和電流曲線圖；
[0037] 圖4是本發(fā)明在直流側(cè)輸入電壓化變化時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓和電流曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] W下結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述。
[0039] -種光伏LCL型并網(wǎng)逆變器的控制方法，是在如圖1所示的光伏LCL型并網(wǎng)逆變器 拓?fù)鋱D上實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明通過建立規(guī)模光伏LCL型并網(wǎng)逆變器在不確定性故障和執(zhí)行器故 障情況下的數(shù)學(xué)模型，提出一類基于高階滑模觀測器的連續(xù)積分滑模容錯(cuò)控制分配方法。 首先，充分發(fā)揮控制分配所具有的虛擬控制律與控制指令分配相互獨(dú)立設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì) 控制分配律，建立光伏LCL型并網(wǎng)逆變器在不確定性故障和執(zhí)行器故障情況下的數(shù)學(xué)模型； 其次，設(shè)計(jì)一類高階滑模觀測器，對光伏LCL型并網(wǎng)逆變器故障信息進(jìn)行有效估計(jì)，使光伏 IXL型并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)跟蹤參考模型;然后利用連續(xù)積分滑模控制理論和控制分配律，設(shè)計(jì) 一個(gè)連續(xù)的基于固定控制分配方案的積分滑模控制器，W直接處理執(zhí)行器故障，確保在參 數(shù)不確定和執(zhí)行器故障下的閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0040] 本光伏LCL型并網(wǎng)逆變器的控制方法包括W下步驟：
[0041] 步驟1:考慮光伏LCL型并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)具有輸入不確定性故障和執(zhí)行器故障建立 數(shù)學(xué)模型，并設(shè)定固定控制分配律。
[0042] 典型的光伏LCL型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)主電路拓?fù)淙鐖D1所示。逆變器包括直流輸入電壓 化n，6個(gè)全控型器件功率開關(guān)管化~化，IXL低通濾波器S部分。電網(wǎng)側(cè)電感Lg、逆變器側(cè)電感 Ls和電容C側(cè)的等效串聯(lián)電阻分別為Rg、Rs和R。，且ig、is和i。分別為流過電感Lg、Ls和電容C的 電流，Ug為網(wǎng)側(cè)的端電壓。
[0043] 假設(shè)圖1中電網(wǎng)處于S相平衡狀態(tài)，由基爾霍夫電流電壓定律，并采用Clarke變換 W消除S相中的共模分量，可得到光伏LCL型并網(wǎng)逆變器連續(xù)的數(shù)學(xué)模型。
[0044]
(1) 12 其中，is為逆變器輸出電流，ig為網(wǎng)側(cè)電流，U。為逆變器輸出電壓，且Uo = Uu = Uv = Uw, Uc為電容C的端電壓，Ug為電網(wǎng)側(cè)電壓。 2 定義狀態(tài)變量義(〇 = ^1，義2，如=[13，18，1]。]，從而得到系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式和 輸出方程為：
[0047]
(2)
[004引其中，u(t)為系統(tǒng)輸入，y(t)為系統(tǒng)標(biāo)量輸出，A為系統(tǒng)矩陣，B為控制矩陣，C為觀 測矩陣，且：
[0049]
Ug]T。
[0050] 工程應(yīng)用中光伏LCL型并網(wǎng)逆變器受多種因素的干擾，考慮系統(tǒng)參數(shù)的不確定性 故障，目化g、Ls、C、Rg、Rs和Rc的理論值與實(shí)際值之間的誤差。將式(2)可W表達(dá)為另一種公式， 即
[0051 ] (3)
[0052]其中，Ag表示系統(tǒng)可能存在的輸入不確定矩陣，Bg表示執(zhí)行器故障矩陣，并(B+Bg) = B(I-K(t))，對角加權(quán)矩陣K(t) = diag化i(t)，k2(t)，k3(t)}為執(zhí)行器故障殘余效能矩陣， 且0<山(*)<1(1 = 1，2,3)，當(dāng)山(〇分別等于1、0時(shí)，第1個(gè)執(zhí)行器處于故障和無故障狀態(tài)。 [005：3] 設(shè)定邱)=7內(nèi)/)，涼統(tǒng)(3)可W轉(zhuǎn)換為：
[0054：
(4)
[0化5]其中，I'd為非奇異矩陣，且滿足
同時(shí)，輸入分布矩陣氣和取SRix2滿足不等式||及,I= Il杏2||，且假設(shè)系統(tǒng)的控制任務(wù)主要 由B2決定，則通過系統(tǒng)重構(gòu)總能使得如另=/,成立，即滿足I丸1 = 1，系統(tǒng)(4)可W轉(zhuǎn)換為：
[0056]
(5)
[0化7] 考慮系統(tǒng)輸入量Uo和Ug的干擾故障，并設(shè)定固定控制分配律為《")=云只，，。(0 + ,，1(")， 其中vi(t)GRixi為系統(tǒng)(4)執(zhí)行器無故障時(shí)化(t)=0)的額定虛擬控制量，vi(t)用來補(bǔ)償 執(zhí)行器故障，則系統(tǒng)(5)可W轉(zhuǎn)換為：
[0化引
（6)
[0059] 其中
，函數(shù)始，巧滿劇Iw刮|<引問I，且g(t，0)=0,即其 局部Lipchitz于X，一致于t，W> 0 0.
[0060] 步驟2:根據(jù)上述步驟I的數(shù)學(xué)模型，建立系統(tǒng)狀態(tài)觀測器的數(shù)學(xué)模型及狀態(tài)估計(jì) 誤差，并采用高階滑模觀測器對系統(tǒng)故障信息（包括極易和不易觀察狀態(tài))實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的估 計(jì)。
[0061 ]為了保證對逆變器故障狀態(tài)的有效估計(jì)做如下假設(shè)：
[0062]假設(shè)I :只馬。)是完全可控的；月及巧為最小相位;曲=2 ;系統(tǒng)（5)的輸出為一 維向量ri。
[00創(chuàng)設(shè)定非奇異矩陣T為7:=[滬F"f，其中U定義為C=[計(jì)打孔<。才,Y]i 'VGR3X2為不易 觀察子空間勺基，且滿足
3設(shè) 定潑(/)=巧叫，則系統(tǒng)(5)可W轉(zhuǎn)換為W下形式：
[0064]
[00 化] ，
宜i"l(〇eRlx2，i2(.〇eRW分別為系統(tǒng)極易和不易觀察到的狀態(tài)。
[0066] 在假設(shè)1成立條件下，系統(tǒng)(5)的狀態(tài)觀測器可W表示為：
[0067]
(8)
[006引其中，
增益矩陣
。由假設(shè) 12345678 1可知
，則扣為島的偽逆。分布矩^
W(t)為一非線性函數(shù)。[0069] 定義狀態(tài)估計(jì)誤差為雌);=嘶);-i的，則系統(tǒng)(8)的動態(tài)誤差估計(jì)為：
2 3
[007^ 設(shè)定巧o = r句O，則狀態(tài)估計(jì)誤差可W轉(zhuǎn)換天

4 在執(zhí)行器故障滿足||1((*)11(*川《1(+，|。<、:1|^：^/4-(估算值），及無故障妍.對=0情況 下，采用高階滑模觀測器(8)，總能獲得極易觀察狀態(tài)的精確狀態(tài)估計(jì)和不易觀察狀態(tài) 的漸近估計(jì)趙的。因此，采用上述高階滑模觀測器能夠?qū)δ孀兤飨到y(tǒng)故障信息(包括極易和 不易觀察狀態(tài))實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的估計(jì)。 5 步驟3:根據(jù)上述步驟1的數(shù)學(xué)模型、固定控制分配律、高階滑模觀測器及其狀態(tài)估 計(jì)誤差，構(gòu)建連續(xù)積分滑模容錯(cuò)控制器數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)積分滑模面，證明閉環(huán)穩(wěn)定性。 6 連續(xù)積分滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)如下： 7 (1)首先設(shè)計(jì)積分滑模面。 8 定義滑模面為S，則：
[007引 （10)
[0079] 其中，GGRIxs為投影矩陣，滿足
[0080] 為簡單起見，用一個(gè)新的變量定義執(zhí)行器故障，即Ut)=K(t)u(t)，并分別投影到 與韶相匹配和不相匹配的空間上，即C ( t ) = C 1 ( t ) + C 2 ( t )，貝《1姑=玄站巧0)和 《并)=巧帝"如)分別屬于炭相匹配和不相匹配的空間元素。同時(shí)，忍跨過了最的零 空間。則擊化）7前寫為，
[0081 ]
(11)
[0082] 對 s(t)求導(dǎo)：
[0083] (12)
[0084]
[0085] (巧)
[0086] 綜上，滑模動態(tài)方程可W表示為：
[0087] (14)
[008引
[0089] (2)其次對閉環(huán)穩(wěn)定性進(jìn)行證明。
[0090] 設(shè)定狀態(tài)估計(jì)反饋控制量,，旅)=-(FG RiX3為反饋增益），估計(jì)動態(tài)誤差
,則閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能又可W表示為：
I對巧沖含巧I司I,孫,0^ = 0，且F為一足夠小的正常數(shù)，其局部Lipschitz于杰，Vt含0均勻于t。 同時(shí)，鬼'中不相匹配的執(zhí)行器故障
％-非零函數(shù)。綜合W上分析，給出閉環(huán)
[0091] (15)
[OOW] ，函I
蘭足 系統(tǒng)W下定理。
[009引定理1:系統(tǒng)（11)采用故障狀態(tài)觀測器(8)和反饋控制量^沁)=-估W，假設(shè)1成立， 仿巧=佩0)為額定系統(tǒng)化巧=&仏巧=0 )的一個(gè)指數(shù)平衡點(diǎn)，并取Lyapunov函數(shù)為F識）。 同時(shí)，假設(shè)較不匹配執(zhí)行器故障打心巧滿A
且Cl，C2，C3，0 < d) < 1，0< t < 1，則對所有初始狀態(tài)量(巧抑)，巧fo))在有限時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)（11)的解扔O滿足：
[0094]
(1巧
[0095] 其中
p.
[0096] 證明：閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)性能可W表示為：
[0097]
(17)
[009引由于矩陣
和柔穩(wěn)定，則矩陣如符合化rwitz[i 6'26]。因此，額定系統(tǒng) (打換巧=村I'.:。= 〇巧一個(gè)指數(shù)穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，即
成立，且P = PT>0為唯一解。
[0099] 取Lyapunov函數(shù)巧巧=昏T曲，則：
[0100]
(巧）
[0101] 對F度泳導(dǎo)，并令
，則有：
[0102] (19)
[0103] ，利用比較原理有：
[0104] (20)
[0105] 設(shè)定
，并滿足
[0106] 結(jié)合式（18)中可W得到ai(r)=Amin(P)r哺Q2(r)=Amax(P)r2。因此，邊界可W表示 關(guān)
由于Qi屬于經(jīng)典Kc?函數(shù)，所W不論y多大，式（20)支持任 何初始狀態(tài)挪0)，滿足Cl = Amin( P )，C2 = ( P )和C3 = 2Amax ( P )等條件。因此，可W得到結(jié)論： 任意小的擾動(不確定性和執(zhí)行器故障）均不會導(dǎo)致大的穩(wěn)態(tài)偏差。L和F分別為觀測器和控 制器的增益，且分別滿巧
并符合化rwitz特性。
[0107] (3)最后設(shè)計(jì)連續(xù)積分滑?？刂破?。
[010引設(shè)定控制量vi(t)為：
[0109]
(21)
[0110] 其中，k1,k2為正的系統(tǒng)參數(shù)，當(dāng)]i>〇有
， Wtk]2等量相對于初始條件提供了一致收斂性，即收斂時(shí)間由一個(gè)恒定的獨(dú)立算法初始 條件限定。
[01 1 ]] 定理2 :系統(tǒng)（1 1 )應(yīng)用固定控制分配律《0)=其(，',片)+，，1(0)。如果系統(tǒng)參數(shù)Kl , K2在 集合中給定，則有：
[0112]
，且cT為上邊
才，有
成立，并11(1：)滿足別0 =-洗游巧+飢卻），且1]1日，1]11,?11為正標(biāo) 量。繼而，控制分配律雌)=威化的+Vl的)保證了系統(tǒng)軌跡在滑模動力表面。
[0113] 證明：等式（12)可W寫成W下形式：
[01141 (22)
[
[ (23)
[
[ 24)
[
[ (25)
[
[ (26)
[ 訴)=§嘴聲沿
[ (27)
[
[0126] (28)
[0127] 考慮 <抑，采用比較原理
。繼而有：
[012 引
（29)
[0129] 如果系統(tǒng)參數(shù)Ki, K2由集合K給定，則式(25)的動態(tài)性一致收斂到0[W，繼而保證了 滑動模型成立，則連續(xù)積分滑?？刂品峙渎煽刹扇下形式：
[0130]
OO)
[0131] 給定匹配故障量Ci(t) 一個(gè)估計(jì)，在滑動模型s(t)=0，J(t)=v(t)+d(t)=0繼而 從式(25)可W得菌
；
[0132] 選擇初始條件為
則通過上述控制律可W保證系統(tǒng)軌跡始終在
滑模面表面。繼而，做出如下假設(shè)：
[0133] 假設(shè)2:初始條件巧0)屬于一已知集合，
[0134] 由于參數(shù)氧0)和Il(O)均滿足假設(shè)2,則：
[0135] 如果假設(shè)2滿足，控制分配律(30)將保證軌跡收斂于0。但是，由于假設(shè)S(O)=O滿 足，且故障氣討O存在，則不可能保證系統(tǒng)從t=0開始，系統(tǒng)就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，又因?yàn)?如如巧日撕))可能不同時(shí)為0。且假設(shè)故障也不是在系統(tǒng)0時(shí)刻，即在t = 0時(shí)刻系統(tǒng)即開始作 用。因此，如果故障發(fā)生在時(shí)間t>0足夠大的時(shí)間里，則暫態(tài)過程將不存在。
[0136] 步驟4、在Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真，驗(yàn)證一種光伏LCL型并網(wǎng)逆變器的控制方法 的有效性。
[0137] 線性化模型設(shè)定為：
[0138；
[0139]高階滑模觀測器參數(shù)設(shè)計(jì)為:子空間/的基V=[0 0 l]T，r=[33.11 -14.61]t， 「0 巧 11 CH ^-494 f) I r I 0 I r'7.*^02 0.048.- -，矩陣。WMj，分布矩陣Pn = Ui ，增益矩陣^1〇- --I，向量維 數(shù)（ri) = (1)和k = 1,2。當(dāng)Tu = O . 8且a = 〇 . 06時(shí)，有=I =均' 且Mi = M2=M3 = 2。控制增益F=[-2.7148.8862 -0.3149 -14.1013 11.4091]。連續(xù)積分滑 ?？刂破鲄?shù)Kl=I，K2 = 3,11=1。
[0140] 圖2給出了逆變器在額定參數(shù)下運(yùn)行時(shí)的并網(wǎng)電壓和電流的仿真實(shí)驗(yàn)波形，可W 看出：系統(tǒng)在啟動0.1s時(shí)即到達(dá)了平穩(wěn)狀態(tài)，到達(dá)平穩(wěn)狀態(tài)后電壓、電流頻率為50化，波形 無崎變，電壓幅值基本穩(wěn)定在220V左右。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中逆變器系統(tǒng)并網(wǎng)電壓、電流基本沒 有發(fā)生崎變，波形為光滑的正弦波，網(wǎng)側(cè)電壓THD為0.021%，波形崎變很小，并網(wǎng)電壓、電流 幾乎無諧波存在。說明逆變器在穩(wěn)定運(yùn)行中，通過本發(fā)明提出的控制策略可W達(dá)到預(yù)期控 制效果。
[0141] 當(dāng)光伏LCL型并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，Rs發(fā)生了兩次故障。由圖3可見，當(dāng)穩(wěn)定運(yùn)行 0.2s時(shí)，I?s突然增加至1.00 Q，系統(tǒng)并網(wǎng)電壓、電流發(fā)生了極小的變化，在極短時(shí)間內(nèi)就過 渡到相應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)，過渡過程中基本無崎變;系統(tǒng)又穩(wěn)定運(yùn)行0.2s時(shí)，私突然減小至原始 設(shè)定數(shù)值0.20 Q，系統(tǒng)并網(wǎng)電壓、電流同樣基本沒有多大變化，在很短的時(shí)間內(nèi)即回到穩(wěn)定 狀態(tài)。表明逆變器在受參數(shù)不確定性故障的影響下，系統(tǒng)并網(wǎng)電壓、電流穩(wěn)定，曲線變化平 滑，崎變小，基本沒有受到故障的影響。說明采用本文所提控制策略能夠W非常接近理想值 的精度對給定值實(shí)行跟蹤，而且能很好保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的安全性。
[0142] 當(dāng)光伏LCL型并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，輸入電壓U。發(fā)生了兩次故障。逆變器輸入電 壓Ud由350V跳變?yōu)?80V，然后由380V跳變?yōu)?50V，逆變系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形如圖4所示。 由圖4可知，逆變器網(wǎng)側(cè)電壓、電流基本不受輸入電壓故障的影響，網(wǎng)側(cè)電壓THD約1.21 %， 穩(wěn)態(tài)誤差小。同時(shí)，逆變系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電壓、電流均實(shí)現(xiàn)了極短時(shí)間內(nèi)對的穩(wěn)定狀態(tài)的跟蹤，過 渡過程中基本無崎變，說明本文提出的控制方法對逆變器輸入電壓具有很強(qiáng)的抗擾動能 力。總體來看，基于故障觀測器的連續(xù)積分滑模容錯(cuò)控制策略能夠較好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障下 的穩(wěn)定控制，顯現(xiàn)出良好的跟蹤性能和容錯(cuò)能力。
[0143] 考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)LCL型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)在具有輸入不確定性和執(zhí)行器故障的影響 情況下，本文提出了一種基于高階滑模故障觀測器的連續(xù)積分滑模容錯(cuò)控制策略。通過故 障重構(gòu)建立了在不確定性和執(zhí)行器故障情況下含固定控制分配律的系統(tǒng)控制模型。通過構(gòu) 建統(tǒng)一的高階滑模狀態(tài)觀測器，對光伏LCL型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中存在的故障信息進(jìn)行有效估 計(jì)。將連續(xù)滑?？刂评碚摵涂刂品峙渎上嘟Y(jié)合，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于固定控制分配方案的連續(xù) 滑模控制器，并推導(dǎo)出了系統(tǒng)故障的穩(wěn)定條件，采用Lyapunov函數(shù)證明了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定 性。
[0144] 需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包 括并不限于【具體實(shí)施方式】中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案 得出的其他實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光伏LCL型并網(wǎng)逆變器的控制方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟1、考慮光伏LCL型并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)具有輸入不確定性故障和執(zhí)行器故障，建立故 障數(shù)學(xué)模型，并設(shè)定固定控制分配律； 步驟2、根據(jù)故障數(shù)學(xué)模型，建立系統(tǒng)狀態(tài)高階滑模觀測器及其狀態(tài)估計(jì)誤差，并采用 高階滑模觀測器對系統(tǒng)故障信息實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的估計(jì)； 步驟3、根據(jù)故障數(shù)學(xué)模型、固定控制分配律、高階滑模觀測器及其狀態(tài)估計(jì)誤差，構(gòu)建 連續(xù)積分滑模容錯(cuò)控制器數(shù)學(xué)模型，用于直接處理執(zhí)行器故障。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光伏LCL型并網(wǎng)逆變器的控制方法，其特征在于:所述步 驟1建立的故障數(shù)學(xué)模型為：其中，Ag表示系統(tǒng)可能存在的輸入不確定矩陣，Bg表示執(zhí)行器故障矩陣，并（B+Bg)=B (1-1((1:))，對角加權(quán)矩陣1((1:)=(1丨38{1^1(1:)，1?(1:)，1?(1:)}為執(zhí)行器故障殘余效能矩陣，且0 <1^(〇<1(1 = 1，2,3)，當(dāng)1^〇分別等于1、0時(shí)，第1個(gè)執(zhí)行器處于故障和無故障狀態(tài)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光伏LCL型并網(wǎng)逆變器的控制方法，其特征在于:所述步 驟1設(shè)定的固定控制分配律為： ?(0 = ^I(v〇(0 + v1(0) 其中vl(t)eRlxl為執(zhí)行器無故障時(shí)的額定虛擬控制量，V1(t)用來補(bǔ)償執(zhí)行器故障。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光伏LCL型并網(wǎng)逆變器的控制方法，其特征在于:所述步 驟2建立的高階滑模觀測器如下：高階滑模觀測器的狀態(tài)估計(jì)誤差為：其中，UtUiWeRW，，增益矩陣 LeRlxl 滿足石「= ， (瓦)=2，左丨為&的偽逆，分布矩陣#/，w (t)為一非線性函數(shù)，5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光伏LCL型并網(wǎng)逆變器的控制方法，其特征在于:所述步 驟3構(gòu)建連續(xù)積分滑模容錯(cuò)控制器數(shù)學(xué)模型時(shí)的積分滑模面如下：其中，G e R1X3為投影矩陣，滿足= 1，且r； = 。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光伏LCL型并網(wǎng)逆變器的控制方法，其特征在于:所述步 驟3構(gòu)建連續(xù)積分滑模容錯(cuò)控制器數(shù)學(xué)模型時(shí)的狀態(tài)估計(jì)反饋控制量>，〇(〇 = -/^(?)，其中Fe R1X3為反饋增益，估計(jì)動態(tài)誤差=對G-.tU)，則閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能為：其中，.，函數(shù)抓無>=l!s則滿足Μ力||<尸Η.?ν'ιυ二η， 且f為一足夠小的正常數(shù)，其局部Lipschitz于無，0均勻于t;同時(shí)，威中不相匹配的執(zhí) 行器故障&(Π )= f G⑴為一非零函數(shù)。
【文檔編號】G05B13/04GK105955033SQ201610507624
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月1日
【發(fā)明人】游國棟
【申請人】天津科技大學(xué)