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102第40 卷第6 期2023年6 月真机计仿算文章编号：10 0 6-9348（2 0 2 3）0 6-0 10 2-0 5基于校正环节与改进LADRC的并网电压控制袁昌盛，程度煦，周雪松2（1.中国电子科技集团公司第十六研究所，安徽合肥2 30 0 0 0；2.天津理工大学电气电子工程学院，天津30 0 38 4)摘要：针对网侧风电逆变器输出的并网直流母线电压稳定性易受内部与外部干扰，对风电网侧逆变器数学模型进行分析，随后在电压外环中加人改进线性自抗扰控制器（LADRC）。在传统的线性扩张状态观测器（LESO)中串联超前滞后校正环节，增强了LESO的扰动观测能力。应用李雅普洛夫理论分析了改进LADRC的稳定性，得出系统在实际工程应用上是稳定的。然后在数字平台上进行了仿真验证，多种工况的仿真现象表明，改进LADRC不仅响应速度快，并且具有良好的抗扰性能关键词：并网逆变器；线性自抗扰控制器；线性扩张状态观测器；超前滞后校正中图分类号：TM743文献标识码：BGrid Connected Voltage Control Based on Correction Linkand Improved LADRCYUAN Chang-sheng,CHENG Du-xu,ZHOU Xue-song?2(1.16th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei Anhui 23000,China;2.School of Electrical and Electronic Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China)ABSTRACT:In response to the issue of the voltage stability of the grid connected DC bus output by the grid sidewind power inverter being susceptible to internal and external interference,this paper analyzes the mathematical modelof the wind grid side inverter,and then adds an improved linear autodisturbance rejection controller(LADRC)to thevoltage outer loop.In the conventional linear expansion state observe(LESO),the ultra-pre-lag correction link wasconnected in series to enhance the disturbance observation ability of LESO.Finally,the stability of improved LADRCwas analyzed using Lyapunov theory,and it was found that the system is stable in practical engineering applications.Simulation verification is then performed on the digital platform,and the simulation of multiple working conditions in-dicates that the improved LADRC is fast,but also has good immunity.KEYWORDS:Grid connected inverter;Linear active disturbance rejection controller;Linear extended state observer;Lead lag correction1引言随着全球经济发展，对化石能源的需求量在不断增加，但随着时间推移化石能源会不断的枯竭，而风能是用之不竭的,因此发展风力发电是一种趋势1-3。在风力发电系统中并网逆变器有着广泛的应用，但其耦合性强，易受内外扰动影响，甚至导致系统失稳，需采取相应的控制策略加以抑制。因此分析并网逆变器的控制策略，抑制扰动对电网稳定的影基金项目：国家自然科学基金资助项目（518 7 7 152）；天津市自然科学基金资助项目（18 JCZDJC97300）收稿日期：2 0 2 1-0 8-2 0 修回日期：2 0 2 1-0 8-30响，保证风电并网逆变器在多种工况下的稳定运行，对风电系统在正常条件下工作有非凡的意义。目前用于稳定网侧直流母线电压的方法较多。各种控制策略各有优点和适用限制：主从控制策略加强直流母线电压的稳定性，但是在技术上的设计比较困难，主要是由于网侧与机侧在控制系统方面相互耦合4；下垂控制可实现有功与无功的无互联控制，并且控制的模式较为灵便，但是较难实现电网电压的安稳定运行5。文献6,7 应用LADRC策略对网侧直流母线电压进行了控制，提高了信号的跟踪与抗干扰能力，但是参数添加了一倍，调参较为繁琐，且控制器的结构较为复杂。综上所述，已有一些文献利用LADRC稳定并网直流母103线电压，但都未考虑到参数众多与结构简便的问题。本文提出的策略是在传统LADRC基础上简化，并参照超前滞后的思想将LESO中的参数改进，且将其微分环节引人总扰动支路中。通过上述的改善不但使LADRC的结构得到简化,且很好的提高了LADRC扰动观测能力与抗干扰性能。2网侧逆变器的数学模型图1是网侧逆变器结构图，R，为网侧等效电阻，L。为网侧滤波器电感，C为网侧滤波器电容。团N图1网侧风电逆变器的结构图根据风电系统的拓扑结构，得到KVL三相电压方程为U.aUui.aia8agagaUud+R.+L.(1)g6B“68dt86ULgcJL8JiiTUcgaLadi+CUc(2)1.86dtLUc一gC式中:Uga、U g b、Uavigbvig.是三相网侧逆变器的电压与电流;UaUuUuviaviuiu分别为输出电压与电流。经坐标变换转换后，可知UUudwidgdgd+Rg9+UU.dtWg9898d(3)dgd(4)+dtU.wU1g9式中：UgavUaviavig分别为网侧逆变器电压与电流在d、q 轴上的分量；Uu、U u g v i u v i,分别为dq轴上的输出电压分量与电流分量，W为电角速度对(3)式进行求导化简,并且将（2)式代入其中可得dUu11Rgd+dLUuC.LC.LC,Lgq888一widd89LCwiC,diC,dtL-wUu(5)：gdB由式（5）知，风电网侧逆变器是一个多变量和耦合性较强的系统，因此应用传统控制策略不能很好达到工业要求的控制标准。3改进LADRC的设计LESO是LADRC主要组成部分，由于其扰动观测性能是LADRC发挥作用的关键,因此在传统LESO的基础上进行相应的改进。根据文献8 可得传统LESO中扰动传递函数中(s)+,s+,s+,(6)由于高阶系统与二阶系统在中低频的频率特性是类似的，故上述三阶系统可以近似作为二阶系统来研究。由上式(6)三阶系统可得二阶系统为2中(s)=+,s+2(7)通过上式扰动观测传递函数表达式分析可知，传统的LESO在快速性与无超调上存在着矛盾，此特征表明传统的LESO在扰动观测方面表现的不够优越。由上式（7 和典型二阶系统相对比可知w,=/B,(8)2VB,式（8)中，w,是标准二阶系统中角频率，是阻尼比。二阶系统中的上升时间和超调量等因素主要取决于wn和。而参数z的变化可同时影响w，和。即2参数对系统动态与稳态性能作用是最大的。本文根据上述分析对传统LESO中的2进行改进，其主要是参考超前滞后的思想。T,s+1B,=B2T,s+1(9)式(9)中T。为时间常数;a是0 1中的系数,则新型LESO的扰动观测传递函数为B,T,s+B,2(s)=aT,s+(aT,B,+1)s+(B,+B,)s+B,(10)式（7)和式(10)相比，多了一个左半平面的零点，系统的根轨迹向左偏移,加强了系统的稳态与动态特性能。为进一步提高扰动观测性能，在总扰动支路中引人超前滞后环节，则改进LESO扰动观测传递函数为B,T,s+B,：(s)三aT,s+(aT,B,+1)2+(B+B,T.)s+B,T,s+1(11)T,s+1图2 是三种LESO在Bode图上的性能对比；综合分析了解改进LESO观测器带宽得到更大程度增加，提高了扰动观测能力显著，且在中频段的时候，相位滞后的现象得到解决。104WoW0传统LESQ新型LESO改进LESQ8P/-2040-60-800-45/-90-135-18010-1100101102103频率/(rad/s)图2三种LESO频域特性曲线4移稳定性分析针对本文所提的模型，证明其稳定性。由文献9 可知LESO表达式为=z2+gi(y1-ji)+bruiz=g(yi-ji)+h(y,w)(12)21式中：h(,w)为改进LESO观测到的未知总扰动。设y,=y:-y,i=1,2,由(12)知改进LESO估计误差式为yi=y2-2woy1(13)=h(y,w)-h(y,w)-w?式中,h(y,w)为未知总扰动的实际值。为简化表达式,取8Y，j=1,2,因此式（13）可化为2h(y,w)-h(y,w)18=Wo(14)1?L1Wo-207811令A=B.=可知LESO中双重的-18=0182极点在-w。处,可得A。在Hurwitz上是稳定的。因此有个正定赫尔特矩阵N，可满足，ATN+NA。-M,且N0.5-0.57-0.51.5定义李雅普诺夫函数V(）=s Ne，则Wo(15)由于h（y,w）在定义域内符合Lipschitz的条件，因此存在着一个常数c可使h(y,w)-h(y,w)|clly-ill,从而h(y,w)-h(y,w)2可满足h(y,)-h(g,)(-81+38.)c(-3s)yWoWo(16)又由-8,+38 2=2 eTNB,式(16)可化为81T582-282eTNB。h(y,w)-h(y,w)2ceTNBoy-(17)WoWoy-l当wo1,有I1l,同时又由于NBc2-2WoWoII NBcl+10,故有h(y,w)-h(y,w)2eTNB。Wo(I/NBcP+1)lelP-Wo-Woe2(18)当woNBclP+1时,V(s)0,根据李雅普诺夫渐进稳定的意义，有lim y(t)=0,i=1,2(19)由文献9 可知：K,(r-5)-32u=(20)设e=r-y1,由式(2 9)得K,(e+j)-(y2-y2)(21)b1=-K(e+y)-y2+r(22)e利用最值误差的控制信号使被控对象得到激励，可将输出信号快速流出去。则系统变成=-K,(e+ji)-j2(23)将式(2 3)写成状态空间形式为=K,e(t)+K,p-1(t)(24)-K,可让特征的多项式s-K,符合劳斯判据,因此-K,在Hurwitz上是稳定的,且知limlK，-1(t)=0,所以limlle(t）=O。由李亚普洛夫渐进理论可知改进LADRC是渐进稳定的，等价于工程意义上的稳定。5仿真与分析为验证本文所设计的控制系统的性能效果，在MATLAB/Simulink平台上展开相关的仿真分析，1.5MW永磁风电机组控制模型如下图3所示。在仿真分析当中，本文和文献10 中提出的传统LADRC进行对比分析,利用文献10的参数进行仿真验证。改进型udcLADRC2/2sSVPWM&wtPLL3r/2r电网图3改进型LADRC控制仿真图105选用的并网逆变器与控制器参数分别为：P%=1.5MW，U网侧线电压=6 90 V,U直流母线电压=10 7 0 V,C=240F,L=20H,R=0.9422;w。=2 50 0 r a d/s,w o=7 0 0 r a d/s,b o=12 0 0 0。1）设置工况开始时间为1.0 s，结束时间为1.2 s；则加载60%工况下的直流母线电压如图6 所示。2）设置工况开始时间为1.0 s，结束时间为1.2 s；则减载60%工况下的直流母线电压如图7 所示。3）设置工况开始时间为0.6 s，结束时间为0.8 s；则对称跌落40%工况下的直流母线电压如图8 所示。4）设置工况开始时间为0.6 s，结束时间为0.8 s;则不对称跌落40%工况下的直流母线电压如图9所示。0.50-0.510.20.30.40.50.60.70.8时间/s图4对称工况下的并网电压波形0.50-0.50.40.50.60.70.80.91时间/s图5不对称工况下的并网电压波形1.05.-传统LADRC1.04改进LADRC1.031.021.010.990.980.970.960.950.60.70.80.911.11.21.31.41.51.6时间/图6加载6 0%工况下的直流母线电压图6 与图7 分别是加载和减载工况下的直流母线电压波形，传统LADRC加载工况下超调量为0.0 3pu，改进1.05-传统LADRQ1.04改进LADRg1.03(nd)王申转母聚草1.021.010.990.980.970.960.950.60.70.80.911.11.21.31.41.51.6时间/图7减载6 0%工况下的直流母线电压1.05.-传统LADRC1.04改进LADRC1.03(nd)申每聚草1.021.010.990.980.970.960.950.40.60.811.21.41.6时间/图：对称跌落40%工况下的直流母线电压1.05-传统LADRC1.04进LADRC1.031.021.0120.990.980.970.960.950.40.60.811.21.41.6时间/图9不对称跌落40%工况下的直流母线电压LADRC超调量为0.0 1pu；在减载工况下传统LADRC的超调量为0.0 3pu，改进LADRC的超调量为0.0 1pu。图8 与图9分别是对称与不对称跌落40%下的直流母线电压，在对称跌落工况下传统LADRC超调量为0.0 2 2 pu，改进LADRC超调量为0.0 0 8 pu；在不对称跌落工况下传统LADRC超调量为0.015pu，改进LADRC超调量为0.0 0 1pu。通过上述多种工况结果对比分析可知，改进LADRC具有可行性和先进性。6结论本文针对风电并网逆变器输出的直流母线电压稳定性易受外部干扰的问题，设计了超前滞后的微分环节与传统LADRC相结合的改进型LADRC，最后通过理论与仿真对改进型LADRC控制策略展开分析。其得出的结果如下：改进的LADRC有更好的抗扰与稳定性能；由于实验条件有106上接第41页）限，没有进行实物仿真，仅在仿真软件上进行验证，可能在细节上出现些许误差。参考文献：1AAli M,Yaqoob M,Lingling C,et al.Disturbance-observer-basedDC-bus voltage control for ripple mitigation and improved dynamicresponse in two-stage single-phase inverter system J.IEEETransactions on Industrial Electronics,2019,66:6836-6845.2王成山，李微，王议锋，等直流微电网母线电压波动分类及抑制方法综述J.中国电机工程学报，2 0 17，（1）：8 4-97.3周雪松，刘茂，马幼捷，杨豹，赵发庆，荆志朋.改进二阶LADRC的风电逆变器母线电压控制J.电力系统及其自动化学报，2020,32(6):43-50.4杨林，曾江，马文杰，黄仲龙。基于改进二阶线性自抗扰技术的微网逆变器电压控制J.电力系统自动化，2 0 19,43（4）：146-153.5韩永强，徐明忻，孙碣.改进LADRC的储能逆变器直流母线电压控制J.电力系统及其自动化学报，2 0 2 1,33（1）：13-2 1.6杨林，曾江，黄仲龙.线性自抗扰技术在LCL逆变器并网电流控制及有源阻尼中的应用J.电网技术,2 0 19,43（4）：137 8-1386.7朱士加，王颖，贺春光，凌云鹏，陶珑，周雪松.一阶LADRC的发动机性能与飞行状态之间的强耦合，模型非线性增强，约束更加严苟，导致上升段制导精度低、鲁棒性差的问题，提出了一种基于模型预测控制算法的上升制导方法，利用其在线预测和滚动优化策略能够兼顾模型失配和系统干扰引起的不确定性,结合该方法的过程处理能力，有效地解决了系统对模型精度的依赖性和过程强约束。仿真结果表明，本文研究的制导方法的有效性，而且对飞行过程气动偏差情况具有较好的鲁棒性。参考文献：1龙乐豪，王国庆，吴胜宝，等.我国重复使用航天运输系统发展现状及展望J.国际太空，2 0 19，（9）：4-10.2龙乐豪，蔡巧言，王飞，等.重复使用航天运输系统发展与展望J.科技导报,2 0 18,36（10：8 4-92.3贾晓娟，闫晓东.吸气式组合动力飞行器爬升轨迹设计方法研究J.西北工业大学学报，2 0 15，（1）：10 4-10 9.4Wang Z,Grant M.Near-optimal entry guidance for reference traj-ectory trackin g via convex optimizationC.Minneapolis:AIAAAtmospheric Flight Mechanics Conference,2018.5贺前伟，刘磊，王永骥，等，基于MPSP算法的吸气式飞行器上升段制导研究J.导弹与航天运载技术，2 0 2 0，（3）：55-6 0.6刘凯，郭健，周文雅，等.吸气式组合动力飞行器上升段制导方法研究J.宇航学报，2 0 2 0,41（8）：10 2 3-10 31.风电并网控制及其稳定性分析J.电力系统及其自动化学报,2 0 2 0,32(7):33-38.8Changsheng Yuan,Xuesong Zhou,Youjie Ma,et al.Improved ap-plication of third-order LADRC in wind power inverterJ.Ener-gies,2020,13(17):4412.9马幼捷，赵健，周雪松，田程文.并联混合型有源电力滤波器的线性自抗扰控制及稳定性分析J.电网技术,2 0 12,36（11)：211-216.10袁东，马晓军，曾庆含，邱晓波.二阶系统线性自抗扰控制器频带特性与参数配置研究J.控制理论与应用，2 0 13,30(12):1630-1640.作者简介袁昌盛（1992-），男（汉族），安徽省合肥市人，助理工程师，主要研究领域为智能控制，新能源发电技术。程度煦（198 7-），男（汉族），安徽省合肥市人，工程师，主要研究领域为制冷环控控制系统研究与设计。周雪松（196 4-），男（汉族），天津市人，教授，博士研究生导师，主要研究领域为电力系统控制、电力电子技术在电力系统中应用、计算机控制技术以及新能源发电技术等。7Henson M A.Nonlinear model Predictive control:current statusand future directions J.Computers and Chemical Engineering,1998,(23):187-202.8Cong Wang,Zhengyu Song.Convex Model Predictive Control forRocket Vertical Landing C.IEEE Chinese Control Conference,China,2018.9徐晓东，黄一敏.基于非线性模型预测控制算法的亚轨道再入轨迹优化J.南京航空航天大学学报，2 0 14,46（4）：552-557.10黄彦春.基于神经网络的快速模型预测控制算法研究D.浙江大学，2 0 18.11陈宜成，李东，李海，等。基于模型预测控制的运载火箭轨迹优化方法J.国际航空航天科学，2 0 2 0,8（3）：49-59.作者简介李栩进（1996-），男（汉族），河北省廊坊市人，硕士研究生，主要研究领域为飞行器控制系统总体设计。韩鹏鑫（198 3-），男（汉族），河南省南阳市人，高级工程师，主要研究领域为飞行器姿态控制。丁嘉元（1994-），男（汉族），河南省周口市人，硕士，工程师，研究领域为飞行力学与控制。褚光远（1994-），男（汉族），山东省淄博市人，硕士，工程师，研究领域为建模仿真与飞行控制。