含恒功率负载的电力电子系统无源控制研究

Constant power loads (CPL) widely exist in micro-grid systems. The negative impedance property caused by CPL will lead to the low frequency oscillation of bus voltage or even collapse of voltage of overall system. Besides, the external disturbances will result in bad influence on the performance of the micro-grid systems. Therefore, the application of proper control algorithms not only compensates the negative impedance property, but also eliminates the influence of disturbance on the control performance, which has great theoretical and practical significance. The passivity based control (PBC) based on the energy notion has been extensively used for the control of power electronics systems with resistance loads. However, there are few research results about CPL. Moreover, they have the following major technique bottlenecks: (1) the domain of attraction is not given so that the convergence of closed-loop system is not guaranteed strictly; (2) the implement of the control laws needs the knowledge of all states; (3) the disturbance rejection performance is poor. For the above problems, this project mainly focuses on the research of the following three topics: (1) the adaptive passivity based control for power electronics systems with CPLs is researched; (2) the output feedback control method based on the dynamic regressor extension and mixing (DREM) technique for these systems is proposed; (3) the composite active disturbance rejection control strategy for these systems is explored. The research tasks of this project will provide the effective theory and methods for high-precision control of micro-grid systems.

恒功率负载广泛存在于微网系统，其特有的负阻抗特性会使得系统的母线电压出现低频震荡现象，甚至导致整个系统电压崩溃。此外，外界扰动对微网系统性能也会产生恶劣影响。因此，采用适当控制方法补偿负阻抗特性，且能抑制外界扰动对系统的影响具有重要的实际意义。基于能量概念的无源控制已经广泛应用到微网中含传统电阻负载的电力电子系统控制研究中，但是针对恒功率负载的研究成果较少，且存在如下技术瓶颈：（1）未能给出吸引区估计范围，以致无法严格保证系统收敛特性；（2）控制器实现需全部状态量信息；（3）抗干扰性能不理想。针对上述问题，本项目重点研究如下三个方面：（1）研究含恒功率负载的电力电子系统自适应无源控制问题；（2）基于动态回归扩展与混合理论，提出含恒功率负载的电力电子系统输出反馈控制策略；（3）提出含恒功率负载的电力电子系统复合主动抗干扰控制策略。本项目研究将为微网系统高性能控制提供切实有效的理论和方法。

含恒功率负载的电力电子变换器是一个高阶、多变量、强耦合、具有负阻尼特性的非线性系统，同时受到多种类型干扰的影响。这些非线性因素、负阻抗特性、和外界干扰的存在，严重阻碍电力电子变换器控制性能的提升。本项目针对此问题，为提高该系统的电能质量，提出了无源控制方案。研究成果可为面向新能源利用的微电网系统的安全经济运行提供技术支撑。首先，考虑多个含未知恒功率负载的电力电子变换器控制问题，设计了一种基于浸入与不变技术的自适应无源复合控制方法，且给出了吸引区的估计范围。利用参数观测器在线估计负载功率，再由前馈补偿器修正系统的控制量。实验结果表明，当系统参数发生变化时，系统具有良好的鲁棒性和跟踪性能。其次，为进一步降低含恒功率负载电力电子变换器系统运行成本和故障率，结合参数估计方法和动态回归扩展与混合技术，提出了一种新的自适应状态观测器来重构该系统的不可测状态和未知参数，并实现了有限时间内在线估计。实验结果验证了所提输出反馈控制方案的有效性。最后，研究了含恒功率负载电力电子变换器复合抗干扰控制问题。分析了外源扰动的特征，结合基于能量的控制器和扰动估计量，提出了复合抗干扰控制器。实验结果表明，所设计方法能稳定输出电压，且能抑制外界多源扰动对系统的影响。该结果还对含一类非线性负载进行了创新性的分析，理论结果可推广到其它变换器拓扑，为电力电子系统高精度控制奠定了理论基础。与以往研究相比，本项目是基于电力电子系统模型本身特点，运用无源性控制和参数估计的最新研究成果，针对性地解决了系统中存在的问题，从而实现了在复杂工况下电力电子系统安全稳定运行的目标。本项目按计划已顺利完成项目计划书中的工作，取得了较为系统、特色鲜明的创新成果。成果主要包括学术论著和发明专利：受项目资助发表在国内外学术期刊有15篇，其中SCI检索12篇，核心期刊2篇；编写学术著作1部，预计2023年3月出版；授权国家发明专利3项。