陕西理工大学周杰、皇金锋 等：光储一体化变流器改进滑模自抗扰控制

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导语

由于光照强度等不可控因素的影响，光伏模块输出功率具有较大的随机性，容易降低光储并网系统的暂态性能。为此，在光储一体化变流器中提出了一种改进滑模自抗扰控制(SM-ADRC)策略以降低暂态时的直流母线电压波动并加快功率响应速度。

首先，研究人员针对传统扩张状态观测器(ESO)对状态变量和扰动观测精度不足的问题，引入了新的误差作为ESO的调节依据以提升跟踪能力；然后，将反步设计和互补滑模控制相结合运用到状态误差反馈律中，以提升控制系统的鲁棒性，并通过改进指数趋近律减小滑模固有的抖振现象；其次，从理论上证明了基于改进指数趋近律的反步互补滑模(BCSMC)和改进ESO的稳定性以及改进ESO的误差范围；最后，通过仿真和实验对比在不同工况下的直流母线波动情况和功率响应速度，验证了本文所提改进SM-ADRC策略相比于传统SM-ADRC策略和PI控制策略的优越性，表明了本文改进控制的优越性和可行性。

研究背景

进入二十一世纪以后，人们对能源的需求越来越大，然而石油和煤等传统不可再生能源短缺的问题却日益凸显。因此，急需寻求新型可再生能源替代传统能源。随着“双碳”目标的提出，我国不断加深了对太阳能等清洁型能源的研究，但由于季节、天气和温度等不可控因素影响，光伏阵列的输出功率具有较大的波动性，直接并入电网或给负载供电会降低电能质量，造成负荷发热和直流母线波动，从而缩短了设备使用寿命。近年来不少学者提出建立储能电站以提高电网的稳定性。

在光储并网系统中，光伏和储能电池通过直流母线耦合的光储一体化变流器是储能系统的重要组成成分。由于其具有多输入输出、非线性、强耦合的特点，传统的PI控制参数难以整定，不能达到理想的控制效果。

针对光储一体化变流器需要高精度、快响应的要求，学者们提出了许多控制方法，如滑模控制、自抗扰控制、无源控制以及模型预测控制等。其中，自抗扰控制以扩张状态观测器为核心，具有不依赖精确数学模型、抗干扰能力强等优势，引起学者们的广泛研究。因此，如何改进自抗扰控制以提高光储一体化变流器的暂态性能具有重要意义。

论文所解决的问题及意义

为了提高光伏并网系统的性能，本文在光储一体化变流器中提出了一种改进SM-ADRC策略，包括改进ESO提升观测精度、改进状态误差反馈律为反步互补滑模提升控制鲁棒性、改进指数趋近律减小滑模抖振。通过以上方案，光储一体化变流器在光伏功率突变、功率指令突变以及电网跌落故障时有效的减小了母线电压波动量，提升了功率响应速度。

论文方法及创新点

SM-ADRC的改进思路如图1所示。图中，传统SM-ADRC采用ESO估计系统的状态变量和总扰动，采用互补滑模作为状态误差反馈律。为了提升状态变量和扰动的估计的速度和精度，本文对ESO进行了改进，为了提高系统的鲁棒性并减小滑模所固有的抖振现象，本文采用改进指数趋近律的BCSMC作为状态误差反馈律，最终得出了改进的SM-ADRC。

图1 SM-ADRC改进思路

1、ESO改进

传统的ESO通过减小x1与z1之间的误差来跟踪x2和x3，即当z1趋近于x1之后，再使z2和z3趋近于x2和x3，这就会使得状态变量x2和x3的观测存在滞后，对系统总扰动观测存在残留。为解决该问题，本文引入x2与z2之间的误差，改进ESO的结构如图2所示。

图2 改进ESO结构框图

为了验证本文改进ESO的有效性，图3绘制了在不同观测器带宽下，传统ESO和改进ESO的阶跃扰动和斜坡扰动时域响应曲线对比。由图3（a）和图3（b）可知，无论是在单位阶跃扰动还是单位斜坡扰动作用下，改进后的ESO对x2的观测速度更快，减小了观测滞后误差。

由图3（c）可知，传统ESO和改进ESO在估计单位阶跃扰动时，均可对总扰动x3实现无差估计，但改进ESO的估计速度明显更快，由图3（d）可知，传统ESO和改进ESO在估计单位斜坡扰动时，均存在一定的扰动误差，但在相同带宽下改进ESO明显具有更小的稳态误差，也即改进ESO有效提高了扰动估计精度。

图3 不同观测器带宽下扰动观测误差时域曲线

2、状态误差反馈律改进

状态误差反馈律的作用是使系统在受到扰动后仍可以快速收敛。为了提升系统的鲁棒性，本文将互补滑模控制和反步控制相结合构成新型状态误差反馈律，BCSMC可设计为图4所示形式。

图4 BCSMC结构框图

图5和图6中，方案1为互补滑模控制、方案2为BCSMC、方案3为改进指数趋近律的BCSMC。由图5可知，与互补滑模控制相比，BCSMC有效提高了系统的收敛精度，证明了BCSMC的强鲁棒性。但图6中BCSMC的抖振现象依然较为严重，为此，本文通过改进指数趋近律有效减小了滑模抖振现象，且通过图5可知改进指数趋近律后仍有较高收敛精度。

（a） 启动阶段

（b） 稳态阶段

图5 控制精度对比

（a） 启动阶段

（b） 稳态阶段

图6 滑模抖振对比

结论

通过理论分析、仿真和实验验证，得出结论如下：

1）在多种工况下本文提出的改进SM-ADRC策略相较于PI控制、传统SM-ADRC策略具有更好的抑制直流母线电压波动能力，能有效延长光伏阵列和储能电池的使用寿命，提高光伏并网系统的经济性。

2）改进SM-ADRC策略的功率响应速度更快，提高了光伏并网系统的暂态性能，可以减小功率滞留问题，增加电力系统可靠性。

团队介绍

周杰

硕士研究生，主要研究方向为新能源发电及电力电子变换器控制技术。

皇金锋

通讯作者，博士，陕西理工大学教授，研究生导师。主要研究方向为电力电子与电力传动。

黄红杰

硕士研究生，主要研究方向为电力电子变换器及其控制技术。

本工作成果发表在2025年第2期《电工技术学报》，论文标题为“光储一体化变流器改进滑模自抗扰控制“。本课题得到陕西省自然科学研究项目和陕西理工大学研究生创新基金项目资助。

引用本文

周杰, 皇金锋, 黄红杰. 光储一体化变流器改进滑模自抗扰控制[J]. 电工技术学报, 2025, 40(2): 504-516. Hou Jie, Huang Jingfeng, Huang Hongjie. Improved Sliding Mode Active Disturbance Rejection Control Strategy for PV-Storage Integrated Converter. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(2): 504-516.

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