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    光伏并網(wǎng)逆變器分?jǐn)?shù)階滑模二自由度內(nèi)??刂?/h1>
    2024-01-08 07:45:52張冬冬葛孟超李保宗于培培
    電氣化鐵道 2023年6期
    關(guān)鍵詞:內(nèi)模內(nèi)環(huán)控制算法

    張冬冬,葛孟超,李保宗,于培培,李 達(dá),逯 哲

    0 引言

    太陽能具有清潔無污染、可再生等優(yōu)勢(shì),因此光伏發(fā)電技術(shù)成為直流微電網(wǎng)、孤島發(fā)電、衛(wèi)星通信、風(fēng)光互補(bǔ)電站、城市軌道交通等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]。并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接的關(guān)鍵設(shè)備,其控制性能直接影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)具有明顯的非線性[3-4],為提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和抗擾動(dòng)能力,文獻(xiàn)[5]在傳統(tǒng)PI控制中加入滑模控制,提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),但PI參數(shù)整定復(fù)雜且存在系統(tǒng)抖振;文獻(xiàn)[6-8]采用高階滑??刂扑惴ǎm然在一定程度上改善了系統(tǒng)抖振問題,但高階滑模控制算法復(fù)雜,控制律設(shè)計(jì)困難;文獻(xiàn)[9-10]引入一自由度內(nèi)??刂撇呗?,該控制策略具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整定參數(shù)較少的優(yōu)勢(shì),解決了PI控制參數(shù)整定復(fù)雜的問題,但無法兼顧系統(tǒng)的跟隨性和抗干擾性。相對(duì)于傳統(tǒng)一自由度控制結(jié)構(gòu),二自由度內(nèi)??刂瓶赏瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)跟蹤特性和干擾抑制特性的獨(dú)立調(diào)節(jié)[11-12],分?jǐn)?shù)階滑模控制可有效削減系統(tǒng)抖振[13],二者結(jié)合,將有效改善系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)控制的魯棒性和抗干擾能力。

    本文在深入研究三相PWM逆變器物理參量之間動(dòng)態(tài)關(guān)系的基礎(chǔ)上,在傳統(tǒng)滑模控制中通過引入分?jǐn)?shù)階微積分算子,電壓外環(huán)采用分?jǐn)?shù)階滑??刂品椒?,電流內(nèi)環(huán)采用二自由度內(nèi)??刂品椒?,提出一種分?jǐn)?shù)階滑模二自由度內(nèi)模控制新方法,并對(duì)并網(wǎng)跟隨性和電壓暫升情況下進(jìn)行對(duì)比測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明,相對(duì)于傳統(tǒng)滑模一自由內(nèi)??刂品椒?,新控制算法可快速跟隨網(wǎng)側(cè)電壓目標(biāo)值,削弱系統(tǒng)抖振,提高系統(tǒng)的魯棒性。

    1 三相PWM光伏逆變器控制模型分析

    三相PWM光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

    圖1 三相光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    圖中:udc為逆變器輸入電壓;ipv為光伏陣列輸出電流;iin為逆變器輸入電流;uka、ukb、ukc為逆變器輸出電壓;ia、ib、ic為逆變器輸出相電流;ea、eb、ec為電網(wǎng)電壓;L為濾波電感;R為系統(tǒng)及濾波電感電阻;C為直流側(cè)穩(wěn)壓電容。

    三相PWM光伏逆變器在dq坐標(biāo)軸下的數(shù)學(xué)模型表示為

    其中:ukd=sdudc為d軸控制輸入,ukq=squdc為q軸控制輸入,sd、sq為開關(guān)函數(shù);w為交流電網(wǎng)頻率;ed、eq為電網(wǎng)電壓d、q軸分量;id、iq為電網(wǎng)電流d、q軸分量。

    忽略濾波電感L阻值和開關(guān)損耗,PWM逆變器直流輸入功率和交流輸出功率滿足

    當(dāng)輸出無功電流為0時(shí),可得

    根據(jù)電壓定向矢量控制原理設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)階滑??刂破鬏斎霝殡妷焊櫿`差,輸出項(xiàng)為電流內(nèi)環(huán)d軸參考值。

    將edq看作干擾信號(hào),由式(1)、式(2)可得內(nèi)環(huán)電流子系統(tǒng)模型為

    2 分?jǐn)?shù)階滑模二自由度內(nèi)??刂茖?shí)現(xiàn)

    式中:D-α為分?jǐn)?shù)階積分算子,α為分?jǐn)?shù)階積分算子的階數(shù),0<α<1;c1為正定調(diào)整參數(shù)。

    對(duì)式(8)求導(dǎo)可得

    選擇指數(shù)趨近律為

    式中:ε>0,k>0。

    由式(9)~式(11)可得電流內(nèi)環(huán)參考值為

    由內(nèi)??刂破髟砜芍?,二自由度內(nèi)模控制系統(tǒng)輸出為

    式中:R(s)為系統(tǒng)輸入;Y(s)為系統(tǒng)輸出;和為二自由度內(nèi)模控制器;G(s)為實(shí)際被控對(duì)象;為被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型;D(s)為擾動(dòng)。內(nèi)??刂破饔糜诟櫮繕?biāo)信號(hào),用于增強(qiáng)抗干擾能力和實(shí)現(xiàn)主動(dòng)解耦。

    由式(6)、式(7)可知:

    為保證內(nèi)??刂破鞯目蓪?shí)現(xiàn)性,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性[14],引入低通濾波器L1(s)。由于PWM逆變器的開關(guān)頻率為10 kHz,電流內(nèi)環(huán)可看作一階慣性系統(tǒng),內(nèi)??刂破鳛?/p>

    將式(17)、式(18)代入式(14)得

    通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)α1、α2可實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤,增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。電流內(nèi)環(huán)二自由度內(nèi)??刂圃砣鐖D2所示。

    圖2 電流內(nèi)環(huán)二自由度內(nèi)??刂圃?/p>

    光伏并網(wǎng)逆變器分?jǐn)?shù)階滑模二自由度內(nèi)??刂圃砣鐖D3所示。

    圖3 分?jǐn)?shù)階滑模二自由度內(nèi)??刂圃?/p>

    三相靜止坐標(biāo)系下的電壓ua、ub、uc和電流ia、ib、ic經(jīng)過坐標(biāo)變換,轉(zhuǎn)換為αβ坐標(biāo)系下的電壓uα、uβ和電流iα、iβ。通過磁相角檢測(cè)計(jì)算出變換角θ,根據(jù)iα、iβ和θ,得到dq坐標(biāo)系下id、iq。外環(huán)控制系統(tǒng)根據(jù)式(12)得出電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)目標(biāo)值,電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)依據(jù)式(17)、式(18)求得控制量ud、uq,最終通過dq-αβ坐標(biāo)變換得到整流器各相開關(guān)信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

    3 仿真分析

    為驗(yàn)證分?jǐn)?shù)階滑模二自由度內(nèi)??刂撇呗缘目尚行?,搭建系統(tǒng)仿真模型,與傳統(tǒng)整數(shù)階滑模一自由度內(nèi)??刂扑惴ㄟM(jìn)行對(duì)比分析,系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見表1。

    表1 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

    3.1 并網(wǎng)跟隨性測(cè)試

    兩種控制算法并網(wǎng)跟隨性測(cè)試仿真結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

    圖5 分?jǐn)?shù)階滑模二自由度內(nèi)??刂品抡娼Y(jié)果

    對(duì)比圖4、圖5可知,兩種控制算法均能實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行,采用分?jǐn)?shù)階滑模二自由度內(nèi)模控制,三相并網(wǎng)電流脈動(dòng)明顯改善,能快速跟隨目標(biāo)值且超調(diào)較小,畸變率相較于整數(shù)階滑模一自由度內(nèi)??刂平档?.96%,驗(yàn)證了該控制方法可快速準(zhǔn)確跟隨電網(wǎng),改善并網(wǎng)電流脈動(dòng),降低諧波含量。

    3.2 并網(wǎng)電壓暫升擾動(dòng)對(duì)比測(cè)試

    在0.3 s時(shí),并網(wǎng)電壓由380 V上升至400 V,兩種控制算法仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

    圖6 整數(shù)階滑模一自由度內(nèi)??刂品抡?/p>

    圖7 分?jǐn)?shù)階滑模二自由度內(nèi)??刂品抡娼Y(jié)果

    由圖6、圖7可知,在并網(wǎng)電壓暫升情況下,采用分?jǐn)?shù)階滑模二自由度內(nèi)??刂?,輸出功率幾乎不受影響,并網(wǎng)電流畸變明顯減小,僅需0.02 s即可達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知,新控制方法具有較強(qiáng)的抗干擾能力和良好的魯棒性。

    4 結(jié)語

    為抑制整數(shù)階滑模控制存在抖振,改善一自由度內(nèi)??刂茻o法兼顧系統(tǒng)跟隨性和抗干擾性的局限性,通過引入分?jǐn)?shù)階微積分算子和二自由度內(nèi)模控制算法,提出光伏并網(wǎng)逆變器分?jǐn)?shù)階滑模二自由度內(nèi)模控制新方法。為驗(yàn)證新控制方法的可行性和高效性,分別進(jìn)行了并網(wǎng)跟隨性和電壓暫升擾動(dòng)情況下的對(duì)比仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明,相對(duì)于傳統(tǒng)整數(shù)階滑模一自由度內(nèi)??刂品椒?,新方法能準(zhǔn)確快速實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的跟蹤,有效改善并網(wǎng)電流脈動(dòng),降低諧波含量,增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力,對(duì)提升光伏并網(wǎng)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定控制性能具有重要意義。

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