CN103825279B - 基于鲁棒控制的微电网系统电压稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于鲁棒控制的微电网系统电压稳定控制方法，所述智能微电网系统控制架构由系统控制层、集中控制层和就地控制层组成，通过多层级的协调控制，实现微电网系统的能量优化与电压和频率稳定控制。本发明建立了感应电动机动态负荷并联静态负荷的综合负荷模型，在满足系统性能与鲁棒稳定性约束条件下，采用求解混合灵敏度问题的方法设计了微电网电压稳定鲁棒控制器，以提高微电网电压稳定性。本发明能适应负荷参数大范围变动，对由于运行工况的变化、外界环境的影响和负荷的频繁切换等因素使微电网的模型参数产生摄动以及拓补和未建模部分的不确定性具有较强的鲁棒性，能较好地抑制参数漂移和噪声干扰，同时控制器结构简单，易于实现。

Description

基于鲁棒控制的微电网系统电压稳定控制方法

技术领域

本发明属于智能电网中微电网技术领域，尤其是基于鲁棒控制的微电网系统电压稳定控制方法。

背景技术

微电网是指在一定区域内由分散式电源（容量小于50MW），包括光能、风能、水能、生物质能、燃气轮机及储能装置组成的靠近用户端的系统，既可与大电网联网运行，也可与主网断开单独运行。在中低压层面上解决数量巨大、形式多样的分布式电源并网运行时的主要问题。因此，微电网协调了大电网与分布式电源的矛盾，充分挖掘分布式电源分散电力需求与资源分布的优点，与环境具有良好的兼容性，是实现分布式发电系统大规模应用的关键技术之一。

当微电网由于外部电网故障或应用于偏远地区和海岛供电时，需独立运行，形成一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。独立微电网综合利用区域内太阳能、风能、储能等多种新能源技术，结合柴油机传统能源，对解决区域供电需求不均衡、供电成本较高、电网建设相对落后、供电可靠性较差、电能质量低、污染环境等问题，维护区域经济社会环境的可持续发展，具有重要作用。

对于可再生能源高渗透率微电网，需要对分布式电源的整合进行系统和综合性的研究。需求包括：1）确保微电网能运行在并网模式、孤岛模式和虚拟电厂模式；2）结合电力市场信息和风光功率预测信息，需求外部响应；3）适应微电网固有的三相不平衡条件、参数和拓补结构不确定性、负荷和电源的频繁改变；4）需求侧响应。

目前，国内外对于微电网控制策略主要分为三种方式：下垂控制、集中控制和主从控制。下垂控制虽然无需依靠实时通信，但存在暂态稳定性能差、缺乏对系统参数和动态负荷变化的鲁棒性、难以实现黑启动等问题。集中控制依靠高速和高带宽通信手段，通信失败将导致微电网系统的崩溃。主从控制模式是目前孤立型微电网系统普遍采用的一种模式，通常由主控电源提供系统频率和电压的参考，从属电源起跟随作用，系统稳定性对主控电源的依赖很大，主控电源的控制策略性能将决定微电网的频率和电压稳定性。

各种用电设备都要求在额定电压下运行，因此保持供电电压稳定，是保证供电质量的主要内容之一。然而，由于系统容量小，风光等可再生能源具有强间歇性、强随机性，负荷频繁波动，微电网内电压波动比大电网电压波动更为严重。其中，负荷变动是引起微电网电压波动的主要原因，负荷变动包括负荷功率因数的变化和负荷电流幅值的变化。这两种变化都将引起同步发电机的电枢反应变化，从而引起作为主电源的柴油发电机/燃气发电机的机端电压的变化。微电网内负荷多为感性。

励磁系统是柴油发电机组的重要组成部分，励磁系统性能除了影响同步发电机组的运行特性之外，还对整个微电网的运行性能产生重要影响。运行工况的变化、外界环境的影响和负荷的频繁切换波动会使微电网的模型参数产生摄动，导致模型的不确定性。自动电压调整装置对微电网参数、拓补和未建模部分的不确定性具有较强的鲁棒性。

经对现有技术文献的检索发现，面向多逆变器的微电网电压控制策略（杨向真，苏建徽，丁明等.面向多逆变器的微电网电压控制策略.中国电机工程学报,2012,32(7):7-13)，为了解决微电网孤岛运行是无功功率在各逆变器间准确分配和母线电压质量问题，基于虚拟同步发电机设计了一次调压和二次调压相结合的电压分层控制策略，提出了在线计算一次电压控制器参考输入电压的新算法。由于虚拟同步电抗不能无限制地增大，调度无功功率与实际无功功率的偏差会导致无法完全补偿同步电抗上的压降，从而产生较大的母线电压跌落；同时控制策略架构复杂，实际应用中实现难度很大，同时，多逆变器控制中参数的摄动将容易引起频率和电压振荡问题。

另经检索发现，中国专利申请号为：201210474294.2，名称为：基于鲁棒控制和超级电容调节孤岛光柴微电网频率控制方法，该申请案针对光柴混合发电的独立微电网，通过使用鲁棒负荷频率控制器和超级电容能量存储配合的频率优化控制策略，以减少频率偏差。然而，申请案并未针对微电网内部实际负荷特性建立静态负荷模型和动态负荷模型以设计频率控制策略，频率控制效果不能足够反映现实，同时，对于孤岛微电网内的电压稳定控制方法，并未提及。

据检索，目前针对静态负荷建模与动态负荷建模的智能微电网电压稳定控制方法，还没有相关技术成果，在将鲁棒控制理论应用到含风光柴储多种可再生能源智能微电网电压稳定控制方面，还没有相关报道，均属于空白。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供基于鲁棒控制的微电网系统电压稳定控制方法，抑制参数变化对系统带来的影响，以提高孤岛微电网运行时的电压稳定性，该方法适用于由柴油发电机/燃气轮机、风电、光伏发电和储能组成的多能互补独立微电网系统。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

基于鲁棒控制的微电网系统电压稳定控制方法，微电网系统的控制架构由系统控制层、集中控制层和就地控制层组成，其特征是，通过各层级间协调控制，实现微电网系统的能量优化与电压和频率稳定控制，具体包括以下步骤：

（1）建立感应电动机动态负荷模型并联静态负荷模型的综合负荷模型，

所述静态负荷模型描述负荷功率随电压的缓慢变化而改变的特性，在一定电压变化范围内能较好地描述很多负荷的静态特性，静态负荷指的是微电网中的静止变换装置、电热和照明设备等，占总负荷比例较小。

所述静态负荷模型为恒电流I、恒功率P、恒阻抗Z三类多项式负荷模型的加权组合，静态负荷模型满足：

P＝P₀[a_P(UU₀)²+b_p(UU₀)+c_p]

Q＝Q₀[a_q(UU₀)²+b_q(UU₀)+c_q]

其中

a_p+b_p+c_p＝1

a_q+b_q+c_q＝1

式中：U和U₀分别为实际电压值和基准电压值；P和Q分别为负荷端电压为U时负荷吸收的功率；P₀和Q₀分别为负荷端电压为U₀时负荷吸收的功率；系数a_p，b_p，c_p分别为恒阻抗、恒电流、恒功率负荷的有功功率占负荷总有功功率的百分比；a_q，b_q，c_q分别为恒阻抗、恒电流、恒功率负荷的无功功率占负荷总无功功率的百分比；

所述动态负荷模型主要描述负荷功率随微电网系统电压和频率快速变化而改变的动态特性，动态负荷指的是微电网中的异步电动机拖动装置，如水泵、压缩机、风机、起货机等，占总负荷的绝大部分。

感应电动机动态负荷采用极坐标系下的3阶机电暂态微分方程描述，其中机械负载特性取为转速的二次函数，其数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dE}}_d^{\′}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{T^{\′}}[E_d^{\′}+(X-X^{\′})I_q]-(\mathrm{\ω}-1)E_q^{\′}\\ \frac{{\mathrm{dE}}_q^{\′}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{T^{\′}}[E_q^{\′}+(X-X^{\′})I_d]-(\mathrm{\ω}-1)E_d^{\′}\\ \frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{2H}[({\mathrm{A\ω}}^2+\mathrm{B\ω}+C)T_0-(E_d^{\′}{I}_d+E_q^{\′}{I}_q)]\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{I}_d=\frac{1}{R_s^2+X^{\′2}}[R_s(U_d-E_d^{\′})+X^{\′}(U_q-E_q^{\′})]\\ I_q=\frac{1}{R_s^2+X^{\′2}}[R_s(U_q-E_q^{\′})-X^{\′}(U_d-E_d^{\′})]\end{array}\right.$

其中

T′＝(X_r+X_m)/R_r

X＝X_s+X_m

X′＝X_s+X_mX_r/(X_m+X_r)

A+B+C＝1

式中：H为转子的惯性常数；T₀为感应电动机机械负载率；ω为感应电动机同步角速度；A、B分别为与转速的平方、一次方成比例的转矩系数，C为恒转矩系数；X_m为励磁电抗；R_s为定子绕组的电阻；R_r为转子绕组的电阻；X_s为定子绕组的漏抗；X_r为转子的漏抗；I_d、I_q分别为感应电动机定子电流的d轴和q轴分量；U_d、U_q分别为感应电动机机端电压的d轴和q轴分量；E′_d、E′_q分别为感应电动机暂态电势的d轴和q轴分量；T′为感应电动机暂态电势衰减时间常数；X′为感应电动机暂态电抗；

（2）建立柴油发电机交流无刷励磁系统数学模型：

$\stackrel{\·}{E}=\mathrm{AE}+B_{1}I+B_{2}u$

y＝CE

$E=\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{fd}}\\ E_q^{\′}\\ E_q^{\′\′}\\ E_d^{\′\′}\end{array}\right],A=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{1}{T_l}& 0& 0& 0\\ \frac{1}{T_{d0}}& -\frac{1}{T_{d0}}& 0& 0\\ \frac{c}{T_{d0}}& \frac{1}{T_{d0}^{\′\′}}-\frac{c}{T_{d0}}& -\frac{1}{T_{d0}^{\′\′}}& 0\\ 0& 0& 0& -\frac{1}{T_{q0}^{\′\′}}\end{array}\right],$

$B_1=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ -\frac{X_d-{X_d}^{\′}}{T_{d0}}& 0\\ -\frac{{X_d}^{\′}-{X_d}^{\′\′}}{{T_{d0}}^{\′\′}}-\frac{c{X}_d-c{X_d}^{\′}}{T_{d0}}& 0\\ 0& -\frac{{X_q}^{\′}-{X_q}^{\′\′}}{{T_{q0}}^{\′\′}}\end{array}\right],B_2=\left[\begin{array}{c}\frac{K_l}{T_l}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right],C=\left[\begin{array}{cccc}0& 1& 0& 0\end{array}\right]$

其中，E_fd为正比于发电机励磁绕组电压U_f的电动势；E′_q为暂态电动势；E″_d,E″_q分别为次暂态电动势的直轴即d轴分量和横轴即q轴分量；

T_l是交流励磁机的时间常数，增益为K_l；T_d0为直轴开路暂态时常数；T″_d0为直轴开路次暂态时问常数;T″_q0为交轴开路次暂态时间常数;X_l＝X_d-X_ad；X_d为直轴同步电抗；X_d′为直轴瞬变电抗；X_d′′为直轴超瞬变电抗；X_q′交轴顺便电抗；X_q′′为交轴超瞬变电抗；X_ad为直轴电枢反应电抗；

（3）为维持微电网在干扰下的电压稳定，采用闭环控制系统控制就地控制层中柴油发电机；以步骤（1）所述综合负荷模型为输出扰动信号，以步骤（2）所述柴油发电机交流无刷励磁系统数学模型为对象，针对外部干扰和微电网模型的不确定性，采用考虑加权的求解混合灵敏度问题的方法建立微电网电压稳定鲁棒控制器问题，基于“2—Riccati方程”求解电压稳定鲁棒控制器K，使电压控制闭环系统稳定。

上述的基于鲁棒控制的微电网系统电压稳定控制方法，所述步骤（3）中的建立微电网电压稳定鲁棒控制器问题的方法为：

选择加权函数W₁为对微电网电压稳定鲁棒控制器性能要求的约束；加权函数W₂表示对加性不确定性的约束，也就是对控制器信号幅值的限制；加权函数W₃表示对乘性不确定性的约束；z₁、z₂、z₃为微电网系统电压稳定鲁棒控制器的评价信号；

所述考虑加权的混合灵敏度问题的框架为：

$\left[\begin{array}{c}{W}_{1}e\\ W_{2}u\\ W_{3}y\\ e\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{W}_1& -W_{1}G\\ 0& W_2\\ 0& W_{3}G\\ I& -G\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}r\\ u\end{array}\right]=P_0\left[\begin{array}{c}r\\ u\end{array}\right]$

其中，P₀为同步发电机的广义对象；r，u分别为参考输入和控制输入；G是柴油发电机交流无刷励磁系统受控对象。

上述基于鲁棒控制的微电网系统电压稳定控制方法中，所述步骤（3）中的电压稳定鲁棒控制器满足||P||_∞＜1。

所述P为闭环系统传递矩阵： $P=\left[\begin{array}{c}{W}_{1}S\\ W_{2}R\\ W_{3}T\end{array}\right]$

其中，S为闭环控制系统灵敏度函数，W₁S代表对闭环控制系统性能的约束，满足 ${\left|\right|W_{1}S\left|\right|}_{\&infin;}<1;$

T为闭环控制系统补灵敏度函数，W₁S代表对闭环控制系统鲁棒稳定性的要求，满足 ${\left|\right|W_{3}T\left|\right|}_{\&infin;}<1;$

R＝K(1+GK)^-1，K为电压稳定鲁棒控制器。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点和有益效果：

1、本发明智能微电网系统采用主从控制模式，控制架构由系统控制层、集中控制层和就地控制层组成，通过微电源的协调控制，实现微电网系统的能量优化与电压和频率稳定控制。与对等控制模式存在多机低频振荡问题、电压和频率稳定性较差、控制策略难以实现等问题相比，本发明控制架构简单，控制策略易于实现。同时，控制架构有利于实现微电网的分布式电源与负荷的即插即用。

2、本发明基于鲁棒控制策略设计的微电网电压稳定控制器，对由于运行工况的变化、外界环境的影响和负荷的频繁切换波动会使微电网的模型参数产生摄动以及拓补和未建模部分的不确定性具有较强的鲁棒性，能较好地抑制参数漂移和噪声干扰。基于混合灵敏度问题的数学模型设计的低阶次的鲁棒控制器由于两个零点和极点发生对消，导致控制器由五阶降为三阶，结构简单，易于物理实现。

3、本发明基于鲁棒控制的微电网系统电压稳定控制方法，建立了感应电动机动态负荷模型并联静态负荷模型的综合负荷，使设计的控制策略能适应负荷参数大范围变动。

附图说明

图1是实例中多能互补智能微电网接线图；

图2是实例中微电网智能系统控制架构图；

图3是实例中微电网系统控制层中日前调度与实时调度流程图；

图4是实例中微电网系统电压稳定鲁棒控制器模型。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

图1是典型的多能互补智能微电网接线图，图中包括柴油发电机/燃气轮机、风力发电、光伏发电、储能系统、动态负荷及静态负荷；所述柴油发电机组/燃气轮机通过变压器与隔离开关连接到10kV分段母线，所述动态负荷通过隔离开关连接到10kV分段母线；所述风力发电机组通过变压器与隔离开关连接到10kV分段母线，所述静态负荷通过隔离开关连接到10kV分段母线；所述光伏发电通过DC/AC控制器与隔离开关连接到10kV分段母线，所述恒功率负荷通过隔离开关连接到10kV分段母线；所述储能系统通过DC/AC控制器与隔离开关连接到10kV母线；10kV母线通过变压器升压至35kV，通过静态开关连接至外电网。当微电网由于外部电网故障断开静态开关或应用于偏远地区和海岛供电时，需独立运行，形成孤岛自治系统。

图2是本发明提出的微电网智能系统控制架构图。智能微电网系统控制架构由系统控制层、集中控制层和就地控制层组成，①～④信号为多层级之间的实时传输信号，通过多层级协调控制，实现微电网系统的能量优化与电压和频率稳定控制。

所述系统控制层为微电网能量管理系统EMS，主要完成综合数据采集与处理、微电网稳定控制、微电网能量管理、配电自动化、计量自动化和综合能效管理等任务。实时信号①为微电网能量管理系统向中央控制器下达各柴油发电机、风电机组、光伏发电、储能系统启停综合策略，各分布式电源P、Q值以及设定的边界约束条件。

所述集中控制层由微电网中央控制器MGCC来完成。微电网中央控制器的控制目的主要是在微电网孤岛运行时，通过对各分布式电源的控制模式及控制参数的设置，保证微电网安全稳定运行，同时维持全网电压和频率在允许范围之内。实时信号②为微电网中央控制器向微电网能量管理系统传输的信号，用于判断微电网能量管理系统指令是否合理警告指令，并将微电网中央控制器的运行状态实时上传到微电网能量管理系统中；实时信号③为微电网中央控制器向就地控制层传输的信号，为微电网中央控制器制定的微电网控制器和负荷控制器的控制信号与参考值。

所述就地控制层包括微电源控制器与负荷控制器，完成微电网组成单元的保护与控制任务。测量与保护装置与分布式电源控制器实现对储能变流器、分布式电源、就地负荷、变压器、开关和线路的一体化监控和保护。光伏系统控制器、风机系统控制器、柴发控制器及储能系统控制器由相应分布式电源系统进行配置，其主要功能为协调系统内各单元的监测与控制，通过IEC61850标准中GOOSE/SV网络传输机制与微电网中央控制器、微电网能量管理系统进行快速通信，通过电力系统实时通信MMS与后台进行通信。实时信号④为就地控制层向微电网中央控制器与微电网能量管理系统传输的就地设备数据，并在实时数据库中保存，包括：（1）柴油发电机组输出有功功率P、无功功率Q、机端电压V、频率f、柴油发电机运行状态（开关状态、故障信号、告警信号）；（2）风电机组输出有功功率P、无功功率Q、机端电压V、频率f、风速、风机运行状态（开关状态、故障信号、告警信号）；（3）光伏发电输出有功功率P、无功功率Q、直流侧电压Vdc、机端电压V、频率f、光照强度、DC/AC变流器运行状态（开关状态、故障信号、告警信号）；（4）储能系统输出有功功率P、无功功率Q、直流侧电压Vdc、机端电压V、频率f、DC/AC变流器运行状态（开关状态、故障信号、告警信号）。

图3是本发明提出的微电网系统控制层中日前调度与实时调度流程图；所述微电网能量管理系统根据日前风光联合功率预测、超短期风光联合功率预测信息15分钟，与外部市场信息实现微电网的日前调度与实时调度，并生成实时运行命令与综合策略，下达控制指令。

在微电网日前优化调度中，分析微电网中各微源的历史发电数据，建立具有自相关性的关分布式电源发电功率预测模型，结合气象信息预测结果，实现短期风光功率预测；考虑项目试点区域的地域气候，结合历史数据研究用户的用电习惯，量化分析电价政策与需求侧响应项目对用户负荷特征的影响，从而建立短期负荷预测模型；分析影响微电网运营效益的各类外部因素，提取可控因素中的主要成分作为优化变量，结合国家相关政策，研究制定微电网运行能效、减排需求等优化运行约束条件；系统通过投资成本较低的热储能，对热、电系统进行匹配，实现系统削峰填谷，而且在日前调度模型中，利用多场景手段描述风光出力的随机性，提高系统适应风电出力随机性的灵活性；在微电网实时运行时，结合15min的超短期风光联合功率预测与超短期负荷预测信息，制定微电网基准功率，生成实时运行指令，通过响应速度较快的电热转化装置和储能系统，实现智能微电网系统对风电光伏出力偏差的补偿，减小风光随机性对电网的影响。

图4是本发明提出的微电网系统电压稳定鲁棒控制器模型，是本发明的关键；

基于鲁棒控制的微电网电压稳定控制方法，具体包括以下步骤：

1.为了反映微电网实际负荷动态行为，建立感应电动机动态负荷并联静态负荷的综合负荷模型。

所述静态负荷模型主要描述负荷功率随电压的缓慢变化而改变的特性，在一定电压变化范围内能较好地描述很多负荷的静态特性，指的是微电网中的静止变换装置、电热和照明设备等，占总负荷比例较小。

为模拟微电网中静态负荷特性，建立微电网静态负荷模型为恒电流（I）、恒功率（P）、恒阻抗（Z）三类多项式负荷模型的加权组合，静态负荷模型满足：

P＝P₀[a_P(UU₀)²+b_p(UU₀)+c_p]

Q＝Q₀[a_q(UU₀)²+b_q(UU₀)+c_q]

其中

a_p+b_p+c_p＝1

a_q+b_q+c_q＝1

式中：U和U₀分别为实际电压值和基准电压值；P和Q分别为负荷端电压为U时负荷吸收的功率；P₀和Q₀分别为负荷端电压为U₀时负荷吸收的功率；系数a_p，b_p，c_p分别为恒阻抗、恒电流、恒功率负荷的有功功率占负荷总有功功率的百分比；a_q，b_q，c_q分别为恒阻抗、恒电流、恒功率负荷的无功功率占负荷总无功功率的百分比；各系数值反映了负荷的静态特性，针对不同的负荷群其值具有不同的差异。

所述动态负荷模型主要描述负荷功率随微电网系统电压和频率快速变化而改变的动态特性，指的是微电网中的异步电动机拖动装置，如水泵、压缩机、风机、起货机等，占总负荷的绝大部分。

建立微电网动态负荷模型为考虑感应电动机机械暂态过程和机电暂态过程的负荷动态模型，采用感应电动机动态负荷采用极坐标系下的3阶机电暂态微分方程描述，其中机械负载特性取为转速的二次函数，其数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dE}}_d^{\&prime;}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{T^{\&prime;}}[E_d^{\&prime;}+(X-X^{\&prime;})I_q]-(\mathrm{\&omega;}-1)E_q^{\&prime;}\\ \frac{{\mathrm{dE}}_q^{\&prime;}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{T^{\&prime;}}[E_q^{\&prime;}+(X-X^{\&prime;})I_d]-(\mathrm{\&omega;}-1)E_d^{\&prime;}\\ \frac{\mathrm{d\&omega;}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{2H}[({\mathrm{A\&omega;}}^2+\mathrm{B\&omega;}+C)T_0-(E_d^{\&prime;}{I}_d+E_q^{\&prime;}{I}_q)]\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{I}_d=\frac{1}{R_s^2+X^{\&prime;2}}[R_s(U_d-E_d^{\&prime;})+X^{\&prime;}(U_q-E_q^{\&prime;})]\\ I_q=\frac{1}{R_s^2+X^{\&prime;2}}[R_s(U_q-E_q^{\&prime;})-X^{\&prime;}(U_d-E_d^{\&prime;})]\end{array}\right.$

其中

T′＝(X_r+X_m)/R_r

X＝X_s+X_m

X′＝X_s+X_mX_r/(X_m+X_r)

A+B+C＝1

式中：H为转子的惯性常数；T₀为感应电动机机械负载率；ω为感应电动机同步角速度；A、B分别为与转速的平方、一次方成比例的转矩系数，C为恒转矩系数；X_m为励磁电抗；R_s为定子绕组的电阻；R_r为转子绕组的电阻；X_s为定子绕组的漏抗；X_r为转子的漏抗；I_d、I_q分别为感应电动机定子电流的d轴和q轴分量；U_d、U_q分别为感应电动机机端电压的d轴和q轴分量；E′_d、E′_q分别为感应电动机暂态电势的d轴和q轴分量；T′为感应电动机暂态电势衰减时间常数；X′为感应电动机暂态电抗。

2.建立柴油发电机交流无刷励磁系统数学模型：

$\stackrel{\&CenterDot;}{E}=\mathrm{AE}+B_{1}I+B_{2}u$

y＝CE

$E=\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{fd}}\\ E_q^{\&prime;}\\ E_q^{\&prime;\&prime;}\\ E_d^{\&prime;\&prime;}\end{array}\right],A=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{1}{T_l}& 0& 0& 0\\ \frac{1}{T_{d0}}& -\frac{1}{T_{d0}}& 0& 0\\ \frac{c}{T_{d0}}& \frac{1}{T_{d0}^{\&prime;\&prime;}}-\frac{c}{T_{d0}}& -\frac{1}{T_{d0}^{\&prime;\&prime;}}& 0\\ 0& 0& 0& -\frac{1}{T_{q0}^{\&prime;\&prime;}}\end{array}\right],$

$B_1=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ -\frac{X_d-{X_d}^{\&prime;}}{T_{d0}}& 0\\ -\frac{{X_d}^{\&prime;}-{X_d}^{\&prime;\&prime;}}{{T_{d0}}^{\&prime;\&prime;}}-\frac{c{X}_d-c{X_d}^{\&prime;}}{T_{d0}}& 0\\ 0& -\frac{{X_q}^{\&prime;}-{X_q}^{\&prime;\&prime;}}{{T_{q0}}^{\&prime;\&prime;}}\end{array}\right],B_2=\left[\begin{array}{c}\frac{K_l}{T_l}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right],C=\left[\begin{array}{cccc}0& 1& 0& 0\end{array}\right]$

其中，E_fd为正比于发电机励磁绕组电压U_f的电动势；E′_q为暂态电动势；E″_d,E″_q分别为次暂态电动势的直轴（d轴）分量和横轴（q轴）分量；

T_l是交流励磁机的时间常数，增益为K_l；T_d0为直轴开路暂态时常数；T″_d0为直轴开路次暂态时问常数;T″_q0为交轴开路次暂态时间常数;X_l＝X_d-X_ad；X_d为直轴同步电抗；X_d′为直轴瞬变电抗；X_d′′为直轴超瞬变电抗；X_q′交轴顺便电抗；X_q′′为交轴超瞬变电抗；X_ad为直轴电枢反应电抗。

3.为维持微电网在干扰下的电压稳定，控制微电网柴油发电机主控制单元。以柴油发电机交流无刷励磁系统数学模型为对象，针对外部干扰和微电网模型的不确定性，采用求解混合灵敏度问题的方法建立微电网电压稳定鲁棒控制器问题。面向标准设计问题的状态空间解法，基于“2—Riccati方程”建立电压稳定鲁棒控制器u＝Ke，使闭环系统稳定。

考虑加权函数求解混合灵敏度问题的方法为：选择加权函数W₁为对微电网调压系统性能要求的约束；加权函数W₂表示对加性不确定性的约束，也就是对控制器信号幅值的限制；加权函数W₃表示对乘性不确定性的约束；z₁、z₂、z₃为微电网系统电压鲁棒稳定控制器的评价信号。

所述考虑加权的混合灵敏度问题的框架为：

$\left[\begin{array}{c}{W}_{1}e\\ W_{2}u\\ W_{3}y\\ e\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{W}_1& -W_{1}G\\ 0& W_2\\ 0& W_{3}G\\ I& -G\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}r\\ u\end{array}\right]=P_0\left[\begin{array}{c}r\\ u\end{array}\right]$

其中，P₀为同步发电机的广义对象；r，u分别为参考输入和控制输入；G是柴油发电机交流无刷励磁系统受控对象。

电压稳定鲁棒控制器满足||P||_∞＜1。

所述P为闭环系统传递矩阵： $P=\left[\begin{array}{c}{W}_{1}S\\ W_{2}R\\ W_{3}T\end{array}\right]$

其中，S为系统灵敏度函数，W₁S代表对系统性能的约束，满足

T为系统补灵敏度函数，W₁S代表对系统鲁棒稳定性的要求，满足

R＝K(1+GK)^-1，设计的微电网系统电压稳定鲁棒控制器模型：

$K=\frac{2075.3(s+0.4628)(s+0.0013)}{s(s^2+4.4137+10.6294)}.$

计算机仿真结果表明，当微电网系统突增感应电动机动态负荷，分别采用常规调压方法和本发明提出的基于鲁棒控制的微电网电压稳定控制方法时，采用电压稳定鲁棒控制器后，系统动态电压变化率明显下降，在充分考虑模型不确定性的情况下，有效地提高了微电网调压系统的精度及抑制扰动的能力。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于鲁棒控制的微电网系统电压稳定控制方法，微电网系统的控制架构由系统控制层、集中控制层和就地控制层组成，其特征是，通过各层级间协调控制，实现微电网系统的能量优化与电压和频率稳定控制，具体包括以下步骤：

（1）建立感应电动机动态负荷模型并联静态负荷模型的综合负荷模型，

所述静态负荷模型为恒电流I、恒功率P、恒阻抗Z三类多项式负荷模型的加权组合，静态负荷模型满足：

P＝P₀[a_P(U/U₀)²+b_p(U/U₀)+c_p]

Q＝Q₀[a_q(U/U₀)²+b_q(U/U₀)+c_q]

其中

a_p+b_p+c_p＝1

a_q+b_q+c_q＝1

式中：U和U₀分别为实际电压值和基准电压值；P和Q分别为负荷端电压为U时负荷吸收的功率；P₀和Q₀分别为负荷端电压为U₀时负荷吸收的功率；系数a_p，b_p，c_p分别为恒阻抗、恒电流、恒功率负荷的有功功率占负荷总有功功率的百分比；a_q，b_q，c_q分别为恒阻抗、恒电流、恒功率负荷的无功功率占负荷总无功功率的百分比；

感应电动机动态负荷采用极坐标系下的3阶机电暂态微分方程描述，其中机械负载特性取为转速的二次函数，其数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dE}}_d^{\&prime;}}{dt}=-\frac{1}{T^{\&prime;}}\&lsqb;E_d^{\&prime;}+(X-X^{\&prime;})I_q\&rsqb;-(\mathrm{\&omega;}-1)E_q^{\&prime;}\\ \frac{{\mathrm{dE}}_q^{\&prime;}}{dt}=-\frac{1}{T^{\&prime;}}\&lsqb;E_q^{\&prime;}+(X-X^{\&prime;})I_d\&rsqb;-(\mathrm{\&omega;}-1)E_d^{\&prime;}\\ \frac{d\mathrm{\&omega;}}{dt}=-\frac{1}{2H}\&lsqb;({\mathrm{A\&omega;}}^2+B\mathrm{\&omega;}+C)T_0-(E_d^{\&prime;}{I}_d+E_q^{\&prime;}{I}_q)\&rsqb;\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{I}_d=\frac{1}{R_s^2+X^{\&prime;2}}\&lsqb;R_s(U_d-E_d^{\&prime;})+X^{\&prime;}(U_q-E_q^{\&prime;})\&rsqb;\\ I_q=\frac{1}{R_s^2+X^{\&prime;2}}\&lsqb;R_s(U_q-E_q^{\&prime;})-X^{\&prime;}(U_d-E_d^{\&prime;})\&rsqb;\end{array}\right.$

其中

T′＝(X_r+X_m)/R_r

X＝X_s+X_m

X′＝X_s+X_mX_r/(X_m+X_r)

A+B+C＝1

式中：H为转子的惯性常数；T₀为感应电动机机械负载率；ω为感应电动机同步角速度；A、B分别为与转速的平方、一次方成比例的转矩系数，C为恒转矩系数；X_m为励磁电抗；R_s为定子绕组的电阻；R_r为转子绕组的电阻；X_s为定子绕组的漏抗；X_r为转子的漏抗；I_d、I_q分别为感应电动机定子电流的d轴和q轴分量；U_d、U_q分别为感应电动机机端电压的d轴和q轴分量；E′_d、E′_q分别为感应电动机暂态电势的d轴和q轴分量；T′为感应电动机暂态电势衰减时间常数；X′为感应电动机暂态电抗；

（2）建立柴油发电机交流无刷励磁系统数学模型：

$\stackrel{\&CenterDot;}{E}=AE+B_{1}I+B_{2}u$

y＝CE

$E=\left[\begin{array}{c}{E}_{fd}\\ E_q^{\&prime;}\\ E_q^{\&prime;\&prime;}\\ E_d^{\&prime;\&prime;}\end{array}\right],A=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{1}{T_l}& 0& 0& 0\\ \frac{1}{T_{d0}}& -\frac{1}{T_{d0}}& 0& 0\\ \frac{c}{T_{d0}}& \frac{1}{T_{d0}^{\&prime;\&prime;}}-\frac{c}{T_{d0}}& -\frac{1}{T_{d0}^{\&prime;\&prime;}}& 0\\ 0& 0& 0& -\frac{1}{T_{q0}^{\&prime;\&prime;}}\end{array}\right],$

$B_1=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ -\frac{X_d-{X_d}^{\&prime;}}{T_{d0}}& 0\\ -\frac{{X_d}^{\&prime;}-{X_d}^{\&prime;\&prime;}}{{X_{d0}}^{\&prime;\&prime;}}-\frac{{\mathrm{cX}}_d-{{\mathrm{cX}}_d}^{\&prime;}}{T_{d0}}& 0\\ 0& -\frac{{X_d}^{\&prime;}-{X_d}^{\&prime;\&prime;}}{{T_{d0}}^{\&prime;\&prime;}}\end{array}\right],B_2=\left[\begin{array}{c}\frac{K_l}{T_l}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right],C=\left[\begin{array}{cccc}0& 1& 0& 0\end{array}\right]$

其中，E_fd为正比于发电机励磁绕组电压U_f的电动势；E′_q为暂态电动势；E″_d,E″_q分别为次暂态电动势的直轴即d轴分量和横轴即q轴分量；

T_l是交流励磁机的时间常数，增益为K_l；T_d0为直轴开路暂态时常数；T″_d0为直轴开路次暂态时问常数;T″_q0为交轴开路次暂态时间常数;X_l＝X_d-X_ad；X_d为直轴同步电抗；X_d′为直轴瞬变电抗；X_d″为直轴超瞬变电抗；X_q′交轴顺便电抗；X_q″为交轴超瞬变电抗；X_ad为直轴电枢反应电抗；

（3）为维持微电网在干扰下的电压稳定，采用闭环控制系统控制就地控制层中柴油发电机；以步骤（1）所述综合负荷模型为输出扰动信号，以步骤（2）所述柴油发电机交流无刷励磁系统数学模型为对象，针对外部干扰和微电网模型的不确定性，采用考虑加权的求解混合灵敏度问题的方法建立微电网电压稳定鲁棒控制器问题，基于“2—Riccati方程”求解电压稳定鲁棒控制器K，使电压控制闭环系统稳定；所述建立微电网电压稳定鲁棒控制器问题的方法为：

选择加权函数W₁为对微电网电压稳定鲁棒控制器性能要求的约束；加权函数W₂表示对加性不确定性的约束，也就是对控制器信号幅值的限制；加权函数W₃表示对乘性不确定性的约束；z₁、z₂、z₃为微电网系统电压稳定鲁棒控制器的评价信号；

所述考虑加权的混合灵敏度问题的框架为：

$\left[\begin{array}{c}{W}_{1}e\\ W_{2}u\\ W_{3}y\\ e\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}W& -W_{1}G\\ 0& W_2\\ 0& W_{3}G\\ I& -G\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}r\\ u\end{array}\right]=P_0\left[\begin{array}{c}r\\ u\end{array}\right]$

其中，P₀为同步发电机的广义对象；r，u分别为参考输入和控制输入；G是柴油发电机交流无刷励磁系统受控对象。

2.根据权利要求1所述的基于鲁棒控制的微电网系统电压稳定控制方法，其特征在于：所述步骤（3）中的电压稳定鲁棒控制器满足||P||_∞＜1；

所述P为闭环系统传递矩阵： $P=\left[\begin{array}{c}{W}_{1}S\\ W_{2}R\\ W_{3}T\end{array}\right]$

其中，S为闭环控制系统灵敏度函数，W₁S代表对闭环控制系统性能的约束，满足||W₁S||_∞＜1;

T为闭环控制系统补灵敏度函数，W₁S代表对闭环控制系统鲁棒稳定性的要求，满足||W₃T||_∞＜1;

R＝K(1+GK)^-1，K为电压稳定鲁棒控制器。