基于干扰观测器的储能反步控制

苏大威,吴雅楠,雷 震,葛 乐

（1.国网江苏省电力有限公司，江苏 南京210024；2.南京工程学院 电力工程学院，江苏 南京211167）

0 引言

储能具有快速响应和配置灵活等特性[1]，[2]。储能变流器是储能中的重要组成部分，储能变流器的精准快速控制能够保证积极响应电网需求，增强电网灵活性[3]，[4]，平抑光伏、风电等可再生能源的功率波动，提升可再生能源消纳水平。

储能双向变流器有单级式、双级式两种拓扑结构。目前，广泛采用双级式拓扑[5]，双级式结构由DC/DC变换器和DC/AC变流器组成。在储能并网运行模式下，DC/AC响应电网功率指令，实现精准快速的功率响应，同时DC/DC用于稳定直流侧电压[6]，[7]。

目前，储能双向变换器的研究多集中在线性化的控制方面。DC/DC变换器的占空比和DC/AC变流器的出口电压都是按照减少参考值和采样值之间的误差进行线性调制。当存在外界扰动时，输入的误差信号无法瞬时变化，导致输出信号有典型的瞬态冲击，经多个开关周期才能达到新的平衡状态[8]，[9]。无差拍控制、比例谐振控制、重复控制[10]～[12]等线性化控制方法，在一定程度上也存在一些不足。无差拍控制动态响应性能好，但对参数敏感，鲁棒性一般；比例谐振控制暂态性能好，但抗谐波干扰性能较差；重复控制可以降低控制过程中的稳态误差，但同时影响了动态响应速度。

反步法是一种递归设计方法[13]，[14]，反步法在电力领域中也有一定的研究。文献[15]针对逆变器模型的非线性问题，采用反步法将模型分解为两个单输入单输出的子系统，设计控制率。文献[16]基于矢量控制设计了一种针对光伏并网逆变器的反步控制器，提高了换流器的控制效果及并网电能质量。文献[17]采用反步法设计了Buck变换器，当控制参数变化时，具有良好的指令跟踪性能。与传统的线性控制相比，反步法设计步骤规范化、设计过程简单，并且能够显著提升控制器的电压电流指令跟踪效果。

并网模式下，双级式储能双向变流器控制的核心在于并网电流的跟踪和直流电压的稳定。对并网电流的跟踪控制可实现对有功、无功功率指令的快速精准响应；对直流侧电压的稳定控制在维持直流侧电压稳定的同时，保证有功功率的稳定传输。然而，当系统功率变化时，直流侧电压波动不利于系统稳定运行。为解决这一问题，文献[18]，[19]采用扰动前馈方法，将外界功率扰动作为扰动信号，通过前馈控制抑制母线电压波动，但该方法需要额外电压电流传感器，增加了控制成本和复杂度。文献[20]对DC/AC变流器提出了一种基于干扰观测器的母线电压控制方法，可有效抑制直流侧电压波动，DC/AC变流器对直流母线电压有一定的稳定作用，但在交直流侧交换功率超过其最大功率时，DC/AC变流器对直流母线电压的控制将失效。因此，DC/DC变换器加入储能能够保证直流电压稳定。

反步法控制器对系统非线性模型的精确性提出了较高的要求，当系统较灵敏或系统传输功率变化引起直流侧电压波动较大时，反步法将无法依靠自身的鲁棒性平抑功率波动。因此，本文在DC/DC变换器的反步法控制器设计过程中，将系统功率波动等效为扰动电流，提出了一种基于干扰观测器的反步法（Disturbance Observer Plus Back-Stepping，DOPBS）控制算法，提升了反步法控制的鲁棒性和动态响应能力，并且在无须增加电压/电流传感器的情况下，可有效实现对直流电压波动的实时跟踪补偿。

1 储能变流器并网数学模型

图1为双级式储能变流器并网模型。

图1 双级式储能变流器并网模型Fig.1 Two-stage energy storage converter grid-connected model

在不计变流器损耗的情况下，储能变流器交直流两端功率关系为（以流入交流网络的功率方向为正方向）

图2为DC/DC变换器拓扑结构图。

图2 DC/DC变换器拓扑结构Fig.2 DC/DCconverter topology

图中：ibat为DC/DC变换器输出电流；i0为系统功率波动，等效为直流电容上的扰动电流量。

DC/DC变换器在Boost状态下数学模型为式中：D1为开关管导通时间。

忽略DC/DC变换器损耗，稳态情况下储能端功率与直流侧功率平衡，即：

储能双级式变流器的控制器设计包含两个部分，分别是对DC/AC变流器的控制器设计和对DC/DC变换器的控制器设计。储能双级式变流器的DOPBS控制方法是在DC/DC变换器的反步法控制器设计中，加入干扰观测器环节，而对于DC/AC变流器将只采用反步法设计控制器，无须对其控制过程加入干扰观测器环节。本文对DC/AC变流器反步法控制器的设计不再进行详细说明，其反步法控制器设计过程可参考文献[13]。

2 基于DOPBS的DC/DC变换器的控制器设计

DOPBS中带有干扰的二阶非线性系统为

将交直流侧功率波动等效为直流电容上的扰动电流i0，在DC/DC变换器的反步法控制器设计过程中考虑扰动电流，设计DOPBS控制器来抑制波动，保证DC/DC变换器Boost/Buck工作状态下闭环系统满足渐近稳定。通过对储能DC/DC变换器Boost/Buck工作状态下导通时间的调制，控制储能的充放电功率来平衡系统不平衡功率，同时削弱了对直流电压的影响。

四足机器人在斜面运动时的机体姿态一般有水平姿态以及平行于斜面姿态两种[4]，如图2所示。相对于水平姿态而言，平行于斜面姿态具有前后腿的运动范围相当、足端轨迹规划简单、稳定裕度高等优势[4]，故四足机器人在斜面运动过程中采用平行于斜面姿态。

2.1 Boost工作状态

若udc为x1，iL为x2， 扰动量i0为d1， 则在Boost工作状态下的带扰动电流i0的DC/DC变换器数学模型为

2.2 Buck工作状态

Buck工作状态下，DOPBS控制器设计为

3 DOPBS稳定性分析

本文DC/DC变换器控制器和虚拟控制量的n阶通式为

式中：λ＞0，εn＞0。

由式（14）可得：

由式（15）可得，复合闭环系统满足半全局最终一致有界稳定。

与传统的back-stepping方法相比，本文采用的DOPBS控制方法将直流侧功率波动等效为直流电容上的电流扰动，并将其干扰估值引入虚拟控制律中以补偿干扰。另外，将非线性系统与干扰估计误差系统相结合构成复合闭环系统，分析其稳定性。最终复合闭环系统满足半全局最终一致有界稳定。

4 仿真及结果分析

基于Matlab/Simulink建立图1双级式储能变流器模型，由于back-stepping稳态跟踪控制已有较好效果[21]，[22]，本节重点对back-stepping控制与DOPBS在系统功率突变情况下的控制效果进行对比，验证所提DOPBS控制算法的可行性。仿真参数设置如表1所示。

表1 仿真参数Table 1 Simulation parameters

图3 交流侧功率突增时两种控制对比图Fig.3 Comparison diagram of two kinds of control when ACside power surge

反 步 法 控 制 器 参 数：c1=2 000，c2=2 000。DOPBS控制器参数：k1=5，δ1=3，β21=3，η21=3。储能变流器交流侧输出功率突增时，分别采用backstepping与DOPBS控制的储能输出功率对比如图3所示。图中：Ps为双级式储能变流器的交流侧DC/AC变流器输出功率；Pess为双级式储能变流器的直流侧DC/DC变换器输出功率。0.2 s，储能变流器交流侧输出的有功功率由0.1 MW突增为0.5 MW，为响应系统输出功率的突变，Pess将会实时改变输出功率以跟踪系统Ps。采用back-stepping控制时，Pess跟踪效果较差，存在明显振荡。采用DOPBS控制时，在功率突增的瞬间，Pess可以较好地跟踪交流侧输出功率的变化，无明显振荡，调节时间也更短。

储能变流器交流侧输出功率突降时，backstepping与DOPBS控制的储能输出功率对比如图4所示。

图4 交流侧功率突降时两种控制对比图Fig.4 Comparison of two types of controls when the ACside power drop

由图4可以看出：0.2 s，储能变流器交流侧输出有功功率由-0.1 MW突降为-0.8 MW。采用DOPBS控制时，Pess可以更好地跟踪交流侧输出功率的变化，无明显振荡，调节时间也更短。

储能变流器交流侧输出功率突变时，分别采用back-stepping与DOPBS控制时系统直流电压的变化对比如图5所示。由图可知：当交流侧功率突增时，采用back-stepping控制器时，直流电压Udc振荡幅度较大，最大振幅近50 V，调节时间也比较长；而采用DOPBS控制器调压，直流电压Udc振荡幅度明显降低，仅仅跌落了20 V左右，在极短时间内恢复到650 V；当交流侧功率突降时，采用back-stepping控制器调节时电压振荡后稳定在650 V，电压最大爬升近60 V。采用DOPBS控制器调节时，电压Udc振幅最大仅为25 V，调节时间也大大缩减。

图5 不同工况下，back-stepping与DOPBS控制直流电压对比图Fig.5 Comparison chart of DCvoltage under different working conditions of back-stepping and DOPBScontrol

仿真结果表明，当系统功率突变时，DOPBS控制具有较好的动态响应性能，可快速响应功率突变，与back-stepping控制器相比，DOPBS控制器调节时间短，能更有效地平抑直流电压波动，具有较好的工程应用前景。

5 结束语

本文提出了一种DOPBS控制方法，在反步法控制器中引入干扰观测器环节，以实现对扰动电流的实时跟踪补偿，有效抑制暂态直流侧电压波动。该方法可有效增强储能变流器的精准快速控制能力，增强储能平抑光伏风电等可再生能源的功率波动的能力，提升可再生能源消纳水平。经仿真验证，DOPBS控制算法在交直流两侧功率突变时调节时间更短、超调更小。