CN103875146B - 稳定直流电网 - Google Patents

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Abstract

一种稳定直流电网的方法，该电网带有向电气负载(12，18，24)提供动力的直流电压电源(11)，该电气负载并联到该电压电源(11)端子上并接收功率或电流的设定值，该方法的特征在于，通过在每个负载(12，18，24)端子上产生的有效稳定阻抗，调节应用到负载(12，18，24)上的设定值，以便稳定电网，这些有效阻抗采用特定尺寸，以便在各个预期工作点处并在电网的各种给定配置下稳定电网，给定配置包括至少一个负载不工作或失效的状态和负载稳定不工作的状态，每个有效阻抗通过非线性调节环路产生，该环路对相应负载的设定值产生作用。

Description

稳定直流电网
技术领域
本发明涉及一种稳定带有直流电压总线的直流(DC)电网或子网的方法,所述直流电网或子网诸如高压直流(HVDC)电网或子网。这种电网可使用在例如飞机或道路车辆的交通运输工具上，或其可作为建筑物(例如工厂)的动力。在本申请中，术语“子网”用来表示构成较大电网组成部分的局部网。
背景技术
直流电网或子网典型地包括向多个电负载--诸如变换器(例如，由逆变器、执行机构、储能源(超电容)、永磁同步电动机等组成的类型)--提供动力的直流电压电源，这些负载并行地连接到电压电源的端子上，每个端子接收电流或功率设定值。为此，每个负载可相当于一个不同的设备并且不需要与其它负载建立任何必要的通信联系，可以具有其自己独立的主动负载控制。
直流电网或子网不同于分布式交流电网，因其与确保直流电网及其负载稳定有关的约束的重要性增加了。负载连同电网本身通常应该规范定尺寸，以便其各自阻抗能使电网获得稳定。
如果其负载端子处的电压或电流信号与随着时间的推移而增加的振幅一起振荡时，直流电网在工作点处会不稳定。
人们知道，采用主动方式或被动方式来稳定电网或负载。
电网负载的被动稳定在于确定其阻抗的大小以便满足电网的稳定标准。这会使得电网中的被动部件(电阻器和电容器)尺寸显著过大，以便使得电网在各种配置下能够稳定。这种解决方案并不总是令人满意，因为它会引起电网规模和重量的增加，在电网为机上电网，特别是用在飞机上时，这会构成重大问题。此外，这种尺寸过大可能也不符合某些初步规定的约束条件，诸如滤波器的截止频率。此外，在以被动方式稳定的这种电网上增加负载会引起电网不稳，即使增加到电网上的负载本身稳定。这说明负载本身的稳定性并不确保包括了这些负载的电网会稳定，因为负载经由公共总线相互连接的方式会导致电网不稳。用来稳定电网的另一个被动技术是，通过采用负载参考设定值的饱和形式，确保负载消耗的功率不超过来自电网的一定数量的功率。
Céspedes等人所著文章“Stabilization of constant power load by passiveimpedance damping(采用被动阻抗阻尼实现恒定功率负载的稳定)”(“应用电力电子会议暨博览会”，APEC，2010，第26届IEEE年会，2174-2180页)介绍了在电网上加装滤波器来被动稳定负载的方法，从而增加直流总线的阻尼，所以增加其稳定性。
负载在专用电网上的主动稳定是修正其控制设定值，以增加电网的稳定性。尽管如此，该解决方案受限，因为其适用于只带一个负载的简单电网。
Awan等人所著文章“Active stabilization of a poorly damped input filtersupplying a constant power load(向恒定功率负载供电的弱阻尼输入滤波器的主动稳定)”(ECCE'09会刊)介绍了一种主动稳定电网负载的方法，提出了基于圆准则(circlecriterion)的特定状态反馈。另外，人们已知采用集中方式来稳定带有多个负载的电网。为此，电网带有稳定部件，该部件获得有关整个电网的信息并产生矢量，该矢量包含有用于每个负载的稳定信号，从而稳定整个电网。
Liu等人所著文章“Active stabilization of an HVDC distribution systemwith multiple constant power loads(带有多个恒定功率负载的高压直流配电系统的主动稳定)”(IEEE Trans.Industrial Electronics,2008,54,No.6)介绍了采用局部稳定器来对负载进行主动稳定。
然而，用来主动稳定负载或电网的现有技术解决方案没有一个是完全令人满意的，因为人们发现在电网的其中一个负载失效的情况下或电网重构的情况下，电网不一定继续得到稳定。
发明内容
本发明的一个具体目的是采用一种方式来避免所述缺陷，这种方式简单，有效，且成本不高。
本发明提供了一种用于直流电网或子电网的主动和分散式稳定方法。
为此，本发明提出了一种稳定直流电网的方法，该电网带有直流电压电源，向并联到该电压电源端子上的电气负载提供动力，每个端子都接收电流或电压设定值，该方法的特征是，通过在每个负载端子处产生有效稳定阻抗，调节应用到负载上的设定值，来稳定电网，这些有效阻抗采用特定尺寸，以便在各个预期工作点处并在电网的各种给定配置下稳定电网，给定配置包括至少一个负载不工作或失效的状态和负载稳定不工作的状态，每个有效阻抗通过非线性调节环路产生，该环路对相应负载的设定值会产生作用。
根据本发明的另一个特性，每个有效阻抗通过非线性调节环路的稳定块产生，该环路影响相应负载的设定值上且适合产生叠加在负载设定值上的稳定信号pv(t)，为的是抬高设定值的阈值，超过该阈值时，电网不稳定，稳定信号的种类是：
pv(t)＝vs(t).Cv.dvs/dt
或
pv(t)＝K.vs 2-X3
式中，vs表示负载端子处的电压，Cv和K是确定有效稳定阻抗的参数，以及X3是截止频率wc滤波器的输出信号，滤波器接收信号K.vs 2，作为其输入，
增加参数Cv或K以及增加稳定信号，用来抬高负载设定值的阈值或负载所消耗的最大功率的阈值，并确保电网的稳定性。
Cv表示有效电容，K是等于1/R的修正系数，为此，1/K表示有效电阻。这样，Cv和K是确定在负载端子处产生的有效阻抗的参数。
在本发明中，直流电网通过安装多块稳定系统采用分散式途径稳定。这种途径的原则是使用分散式结构来将多块稳定系统安装在直流电网上。该系统由多个安装在系统每个负载上的独立的局部稳定块组成。这样，可以在每个负载前方阻尼系统，从而局部限定不稳定性源。这样可以从整体上稳定电网。这种途径的分散式方面有助于使系统可靠。每个稳定块独立于其它稳定块，局部布置在电网内，从而彼此之间无需任何连接，任何其中一个稳定块失效，都不会影响其它稳定块。此外，可以以这样一种方式规范稳定块组的特定尺寸，以保证系统在一些失效情景下保持稳定。
优选地，每个调节环路使用产生K.f(x)类输出信号的非线性调节关系，其中，x是负载的控制变量，而K是该负载特有的修正系数，修正系数(K1,K2,...,Kn)通过实施如下步骤来确定：
a)确定电网的数学模型，该模型由包括上述修正系数(K1,K2,...,Kn)的公式构成，用来确保负载和电网的稳定性；
b)确定需要符合的约束条件，以便电网保持稳定，特别是在电网重构的情况下或至少一个负载失效的情况下；以及
c)通过优化算法来确定修正系数的最佳矢量，以便验证某个矢量是否符合上述约束条件，并计算稳定该矢量的目标函数，然后，重复这些步骤，直到获得符合上述约束条件的矢量。
本发明的方法可通过稳定电网或子电网的负载来确保稳定该直流电网或子电网，对于确定的工作点，不论配置如何和/或电网是否失效都可保证电网稳定。每个负载的稳定考虑了每个负载的对电网整体稳定的影响。本发明的方法可以避免加大电网被动部件的尺寸，或者仅通过在每个负载上游建立有效阻抗(例如电容或电阻)来将部件尺寸的加大限定在较小范围，这样，使得负载得以稳定，同时也使得整个电网得以稳定。该有效阻抗的目的是阻尼在电网或负载端子处可能产生的扰动,并且以这样一种方式来规范其特定尺寸，以便使得电网在其各个预期工作点处，在各种给定电网配置下，以及在至少一个负载失效(即，负载失灵或损坏)的情况下得以稳定。
通过非线性关系和预定修正系数，调节负载控制设定值，以获得每个负载端子处产生的有效阻抗。确定包括所有负载最佳修正系数的矢量，以便符合上述约束条件，实现目标函数。
例如，步骤a)可确定电网的非线性模型，围绕工作点对其线性化或表示其亚可比函数。
在步骤b)中需要符合的约束条件包括修正系数值的可接受范围，和在电网重构情况下，在至少一个负载稳定失效情况下，以及电网特定参数值变化或不准确的情况下，保持电网稳定。
考虑电网特定参数值变化或不准确可确定鲁棒性裕度(robustness margin)和稳定性的安全裕度。
有利的是，数学模型包括多个公式，这些公式表示在一个或多个负载缺失情况下和/或一个或多个负载稳定失效情况下的电网特征。
为此，稳定性可抗击损坏和电网重构，无需实时确定构型，且无需修改所使用的调节/稳定参数。
例如，步骤c)中使用的优化算法可用来将使用一个矢量进行目标函数计算与使用另一个矢量进行同一个目标函数计算进行比较，在这另一个矢量中，修正系数尽可能最小，然后，重复这些步骤，直到所述矢量使所确定的目标函数达到最小。可以这样的方式来对此进行选择，以便按设计者预期方式指导稳定电网的工作(例如，执行机构的最小值，储能电源的最大值)。在约束条件下(通用的，梯度方法，等等)，可以使用任何优化算法。
本发明还提出了一种直流式电网，该电网包括向并联连接到电压电源端子上的电气负载提供动力的电压电源，每个端子都设计成可接收电流或功率设定值，该电网的特征在于，通过稳定块来调节其设定值，从而稳定每个负载，所述稳定块的输入端连接到在负载端子处测量电压的装置上，其输出端连接到经由加法电路使用负载设定值的端子上，加法电路还连接到输出设定值的装置上。
在本发明中，局部稳定块安装在每个负载的调节环路上。负载带有多个稳定块，这些稳定块都是局部的，与电网中单个稳定块相比(用于集中稳定)，这种情况引起发送信息(测量值，稳定信号基准)所需电缆的减少，这些稳定块而后需要连接到大量传感器上，以便输送所有测量信息给稳定块。在电网中使用局部稳定块也可减少所涉及的传感器的数量，因为，只需要负载端子处的电压。
稳定块提取电压的高频分量，即，其必须滤除电压的直流分量。例如，可借助于低通滤波器和减法器来实施滤波，滤波器的输入端连接到上述测量装置上，其输出端则连接到减法器上，后者从来自测量装置的信号中减去滤波器输出信号。在另一种方式中，可以使用高通滤波器或带通滤波器。
在本发明的一个实施例中,每个有效阻抗通过稳定块由向负载(诸如，逆变器，降压电路，升压电路等)提供动力的变换器来产生，该稳定块产生非线性状态反馈，通过叠加在相应负载设定值上来传递给变换器。稳定块适合产生稳定信号pv(t)，用来叠加到负载的设定值上，以便升高负载所消耗的最大功率的阈值，超过该阈值时，电网不稳定，稳定信号种类是：
pv(t)＝vs(t).Cv.dvs/dt
或
pv(t)＝K.vs 2-X3
式中，vs表示控制负载的功率变换器端子处的电压，Cv和K是确定有效稳定阻抗的参数，X3是来自带有截止频率wc滤波器的输出信号，滤波器接收信号K.vs 2，作为输入，
增加参数Cv或K和增加稳定信号，可升高电网负载所消耗的最大功率的阈值，并可保证负载和电网之间相互作用的稳定性。
那么，电网的上述数学模型提供有稳定状态反馈。
本发明还提供交通运输工具，诸如飞机，其特征在于，这些交通工具包括上述稳定的电网。
附图说明
通过阅读以非限定性示例并参照附图给出的如下说明，可以更好地理解本发明，本发明的其它细节、优点和特性会显现出来，附图如下：
图1为带有直流电压电源和三个负载的直流电网的布置图；
图2为简化了的直流电网，其带有电压电源和一个负载，该负载通过在其端子处建立有效阻抗Z而主动稳定；
图3所示直流电网类似于图1，包括三个局部稳定块，用来建立稳定负载的有效阻抗；
图4a和4b分别为稳定直流电网负载的稳定块；
图5和图6为方框图，示出了本发明方法的步骤；
图7所示图形给出了三个负载未稳定时直流总线电压针对相应于功率步骤的图1电网三个负载的变化情况；以及
图8和图9所示图形，给出了当三个负载稳定时(如图8所示)，和当只有其中两个负载稳定时，其中一个负载的稳定功能失效(如图9示例所示)，直流总线电压针对相应于功率步骤的图3电网三个负载的变化情况。
具体实施方式
首先参照图1，该图示出了适合安装在诸如飞机的交通运输工具上的直流电网10，所述电网带有具有输出端子的直流电压电源11，输出端子并行连接到三个不同负载的输入端子上。
第一个负载12包括永磁同步电动机14(PMSM)，由三相逆变器16提供动力，扭矩控制通过传统的d-q矢量控制实施。
第二个负载18包括DC/DC变换器20，向一个电阻22提供动力，该装置采用动力调节，这样，负载消耗来自电网的控制良好的动力。
第三个负载24为超级电容器(SC)，其通过另一个DC/DC变换器26连接到电网上，该变换器为电气双向。该装置也采用功率调节。为此，可以控制超级电容器和电网之间的功率交换。
直流总线的电压是vn，及三个负载端子处的电压分别是v1，v2，和vn。
例如，本发明的直流电网或子电网可以是电气制动执行控制器(EBAC)式装置，电气起落架系统(ELS)子电网，或电气飞行控制系统(EFCS)，原动机式的基本配电装置等等。
电网10的负载采用充分伺服控制，从而完全可以假设它们以恒定功率工作。输入电压Ve也设想为完全恒定的。在处理所有三个负载同时连接到电网上时的情景前，可逐个研究负载的稳定性。通过研究用来级联式配置(一个负载)的系统的开环传递函数(OLTFs)的尼奎斯特频率曲线，可以研究每个负载的稳定性。通过研究传递函数的共同特性的零点，评估整个电网(三个负载)的稳定性，对于每个负载来讲，该传递函数就是在输入电压Ve(vs/Ve)上跨接负载端子(v1，v2，或vn)的电压vs的比率的传递函数。所获得的结果可以通过模拟来确认，如下所述。
如上所述，如果负载的控制设定值(例如，功率)超过了某个门限值时，电网的电气配置可能不稳定。该功率极限由电网的结构和内容确定，即，由构成它的参数值确定。众所周知，被动部件(诸如电容器，电阻器，或电感器)的值随着几个参数的变化而变化，这些参数并不总是可控制的和/或恒定的。例如，可以考虑温度变化或老化情况，这些都会对系统的电气特性产生作用。为此，引起系统稳定特性的变化，可能会导致不稳定性状态。为了应对这种不需要的现象，本发明提出确定适当指令，这些指令产生叠加到负载参考设定值上的“稳定”信号，而且，这些指令从而可以保证系统的整个稳定性或提高系统的稳定性。有利的是，这些信号在稳定条件下为零，以避免影响或修改用户或原始工作点所预期的设定值。
改变负载的设定值参数会引起电网工作点的变化。换句话说，对于电网的每个工作点来讲，设定值参数是为各个负载而确定的。例如，工作点确定为相当于iq＝7安培(A),P2＝500瓦(W),Psc＝of 0W。
本发明的方法通过在每个负载上游建立有效阻抗Z(电容，电阻等)，可使电网被动部件尺寸增大幅度较小或根本不存在，从而使得负载和电网作为整体而得到稳定(图2)。该有效阻抗的目的是阻尼在电网或负载端子处可能产生的任何扰动，其”定尺寸”方式是这样的，在各种给定电网配置下的各种预期工作点处，以及在至少其中一个负载失效(即无效或损坏)的情况下，可使电网保持稳定。
根据本发明，每个负载的稳定阻抗由稳定块28(图3)产生，该稳定块直接作用负载的设定值环路，从而控制设定值并提供稳定性，具体通过如下方式：
·在各个所要求的工作点之间调整设定值的变化量；
·在至少其中一个稳定块不再起作用时，确保电网是稳定的；以及
·在至少其中一个负载断开(电网重构)时，确保电网是稳定的。
图4a的稳定块28用来在负载的端子处产生有效电阻。稳定块28包括电压倍增器装置30，用来使跨负载端子测量的电压vs乘以增益或修正系数K(等于1/R)，该系数与稳定信号幅度成正比，从而产生信号U。带有截止频率wc的低通滤波器32输入端连接到装置30的输出端，从而接收信号U。减法器34从信号U中减去来自滤波器32的输出信号X3。来自减法器34的输出信号Pv通过加法电路36而加到负载的设定值信号Ps0上，所述加法电路具有连接到负载上的输出端。
截止角频率wc被定尺寸，以便局部稳定器只能看到电压变化情况，直流分量被消除。所选择的数值必须包含这样的情况，即电网互连滤波器作为整体所产生的谐振频率附近的所有频率都必须能够被每个局部稳定块所考虑到。图4b所示稳定块28'的另一种实施例用来产生跨负载端子的有效电容Cv。该稳定块28'还包括带有截止频率wc的低通滤波器32，该低通滤波器32可作为输入接收直流总线电压vs，并可提供被称作vslf的输出。减法器34用来从信号vs中减去经滤波的信号vslf。来自减法器34的输出信号相当于高频谐振，后者通过增益wc的倍增器装置35而乘以低通滤波器的角频率。来自装置35的输出信号和信号vslf都发送到附加的倍增器装置37，从而根据负载端子处产生的有效电容Cv来产生经调节的功率信号pv。
研究负载直流总线电压稳定性的数学模型如图2所示，(其中，Ps＝Ps0是工作点的负载的输入值或设定值功率(ie0,vs0)；Ps0＝vs0.ie0设想为恒定)可以按下式表示：
式中，Lf表示电感，即表示电压电源Ve所输出的电流，rf表示电阻，vs表示跨接负载端子的电压，Ve表示电压，C或Cf表示电容，其与电感Lf一起构成LC滤波器。
为了简化这个模型，假定负载的控制是有效的，为此，直流总线电压的变化对负载的控制电流的影响没有或很小。
通过研究数学模型的极点，可以分析图2所示负载信号的稳定性，所述数学模型围绕工作点而被局部线性化。这样，就形成了如下标准，这些标准给出了稳定工作点的最大可接受负载功率：
式中，vs0是所述工作点的跨接负载端子的电压。
当负载的功率设定值(Ps0)达到Ps0max时，该负载则不再稳定。为此，Ps0max表示设定值Ps0决不可达到的阈值。从上述公式可以看出，Ps0max与电容C成正比。增加该电容，通过在负载端子上增加附加的有效电容，可以增加阈值Ps0max。
实际上，该有效电容是通过向功率设定值Ps注入附加功率Pv而产生的，该附加的功率符合如下公式并表示由稳定块所输送的负载稳定信号(当Pv＝0，负载不稳定)：
式中，Cv是稳定块在负载上游所产生的有效电容，而iv则是流经电容的电流。
为了发现稳定块对阻抗的影响，必须在上述模型的负载端子处加入附加电流iv。为此，模型使用了直流总线电压(vs)的测量的经滤波的导数，该模型属于如下类型：
这些公式表示采用稳定块稳定时的图2电网的数学模型，其中，状态变量如下：
工作点的参数(is0,vs0)如下：
其中，对于第一级滤波器来讲，vslf是附加状态变量。
上述状态变量x1，x2和x3是电网可测物理参数或电网数据的函数。
为了稳定负载，还可以提出如下稳定关系，其中，K是修正系数(1/K表示有效电阻，K等于1/R)，该系数的确定以稳定负载：
U＝K.vs 2和pv(t)＝vs 2-X3
(参照图4a)，式中，pv(t)＝K.vs 2-X3表示用来稳定图4a较大信号配置中的负载信号，该信号在给定工作点周围用形式K.f(x)表示。
特别是，参数K的确定取决于电网的结构和电网上有效负载的数量。为确定这些参数，首先解决形成电网的矩阵组，其次，根据各个预期工作点，各种可能的配置，和最大限度减少动态性能对负载影响的标准。
稳定关系结合了信号的阻尼和考虑了无阻尼振荡会消失的事实。因为该阻尼仅在工作点周围是必须的，此后是合适的滤波器，例如，低通滤波器，如图4a和4b所示。
在给定工作点处，对图3的电网建模和线性化。该电网对应于图1所示电网，增加了本发明的稳定块，每个稳定块用来调节负载的控制设定值，以这样的方式来与之相连，以便使其在电网内稳定。
直流电网的线性数学模型可以通过如下矩阵(Msound)来确定，其中，参数K1,K2,和Ksc分别表示第一、第二和第三负载的修正系数。
确定目标函数，用来根据约束条件稳定电网，约束条件将在下面更详细介绍。该目标函数可以采用如下公式来表示。
约束条件用来保证系统的稳定性。在系统各种配置下，这些约束条件施加到系统的状态矩阵的特征值λ的实际部分上。约束条件在工作点周围局部有效，调查对应于范围D的所有工作点的稳定性，所述范围D由两个功率范围给出，所述范围通过如下关系确定：
针对如下情景来实施这种关系：
a)三个稳定器中至少两个是有效的(可能，三个的其中一个失效)；以及
b)断开系统的其中一个支路(为了安全，自动断开)。
在失效情景下，应考虑活动情况，以及负责优化的算法对系统所意味着什么，如果设法汇聚时，该算法会用来确定稳定块的尺寸，这些稳定块确保所述所有情景下的稳定性。应该指出的是，确保一个范围的所有工作点的局部稳定性并不对应于确保在该范围内大信号的稳定性。
需要考虑的其它约束条件与电网配置的环境有关，例如，电网支路出现故障的情况下。
在第一负载的一个支路开路(例如，在图3的点01处)的情况下，如下矩阵Mfailure1是电网的数学模型。
在第二负载的一个支路开路的情况下，例如，在图3的点02处，如下矩阵Mfailure2是电网的数学模型。
在第三负载的一个支路开路的情况下，例如，在图3的点03处，如下矩阵Mfailuresc是电网的数学模型。
为了合并鲁棒性标准(robustness criterion)，矩阵Msound,Mfailure1,Mfailuresc,和Mfailure2特征值的实部要求小于严格负值，写作RM。这就为考虑参数值的可能变化或不准确提供了安全裕度。最后，需要符合的约束条件通过如下关系给出：
以公式形式表示的任何其它约束条件在算法中可以考虑。
使系统线性化可以通过对K的各种值产生作用来确定系统的特征值，使每个极点的实部为负(这保证线性化点附近范围内的稳定性)，而且，有利的是，使其小于-5，以便增加系统的鲁棒性裕度。
此后，例如，根据各种预期工作点，各种可能的配置，以及最大限度地减小动态性能对负载的影响的标准，确定符合所有这些标准的K的各种值，以确保电网稳定。
图5非常清楚地示出了本发明方法的步骤，这些步骤用来确定应用到负载设定值上的修正系数，以便在直流电网内稳定负载。该图示出了确定修正系数时可以考虑的约束条件。
根据所示示例，所考虑的约束条件如下：
a)稳定块的系数K的可接受范围(块60)；
b)每个负载的稳定性的鲁棒性范围(块62)；
c)管理电网的重构(块64)；以及
d)管理其中一个稳定块的损失(块66)。
如上建立的电网模型用来确定目标函数，将该函数最小化并用来评估每个负载对稳定的影响(块68)。
通过对电网、其工作点、以及其预期可接受的降级模式的建模试验，可以确定一套公式，以便确定系数(K1到Kn)的一组值。这种独特解决方案的优点是，它可以使确定值稳固与独有，适用于在建模和公式系时所考虑的所有预期情景。
然后，使用和重复优化算法，以便找出符合优化标准的K的最佳值(块70和72)。计算和优化算法并不是特定的，例如，可以是Matlab的fmincon函数，该函数解决和优化该组公式。这样，可以确定上述修正系数K的值。
分散式或多块式稳定的目标是提供稳定块的相干尺寸设计，以便确保系统在多个情景下是稳定的。为了实现这个目标，在约束条件下可利用优化方法。采用这个方法，可以考虑对系统稳定性的约束条件。例如，这些条件可以是鲁棒性裕度，稳定器失效公差，以及在电网其中一个负载失效情况下管理系统的可能的重构。此外，根据最小化的情况，使用一种关系，将所有稳定块与其对各自负载的影响进行相关。
选择哪种优化算法对这个问题是显而易见的。换句话说，目前提出的方法的优点是确定这个问题。然后，为了约束条件下的优化，通过选择任何一种算法来予以解决。在这个示例中，所使用的方法是“优化工具箱”内所具有的Matlab的fmincon函数。其基于目标函数的最小化，在函数上增加了加权的系数约束条件。约束条件加权的系数确保以这种方式确定的新函数的最小值不会对应于不符合约束条件的解决方案。
优化法基于线性模型(Msound，Mfailure1，Mfailuresc，和Mfailure2)，这些线性模型对应于上述情景中的各种可能的情景。
通过确定和解决约束条件下优化法的问题来确定阻抗。阻抗是约束条件下优化法问题的解决方案。它们对应于系数K和Cv。
图6示出了本发明的优化法的步骤。
用户开始确定范围D，在这个范围内，修正系数K需要确定。优化算法确定了该范围内的矢量X0，该矢量包括一组负载修正系数(块80)。在带有三个负载的直流电网的这个示例中，X0＝[K1,K2,和Ksc]，优化算法开始验证所有上述约束条件是否符合矢量X0(块82)。如果不符合约束条件，算法确定新的矢量(84,80)。相反，如果符合所有约束条件，该算法采用矢量X0来计算目标函数(块86)，然后，在所使用矢量尽可能小的时候，即，当构成矢量的修正系数尽可能小的时候，将所获得的结果与同一函数的结果进行比较(块88)。如果目标(或“目的”)函数fobj(X0)大于或等于fobj(Xmin)(支路90,84)，那么，该算法计算新矢量并重复块80,82和86的步骤。当目标函数fobj(X0)小于fobj(Xmin)，且X0等于Xmin，即矢量是尽可能最小的矢量(块92)，那么，优化结束(支路94)，该确认的矢量可被视作优化矢量(X0＝Xmin＝Xopt，块96)，该优化矢量包括用于稳定所有负载和直流电网的最佳修正系数K1，K2，和Ksc。
为了使得多块稳定系统置入到位，主要步骤是获得符合已设定约束条件的系数值K。为此，上述约束条件下的优化问题适合Matlab fmincon函数所要求的格式，如下所述：
X＝fmincon(fmin,x0,A,B,Aeq,beq,xmin,xmax,NLcon)
fmin:目标函数
x0:优化起始点
A和b:不均等约束条件A.x≤b
Aeq和beq:均等约束条件Aeq.x＝beq
xmin和xmax:x的确定范围
NLcon:非线性不均等性和均等约束条件。
对于此处所述的问题，仅介绍了非线性约束条件(NLcon)。这些非线性约束约束是在Matlab文件中确定的，该文件确定了所述情况下矩阵特征值Msound,Mfailure1,Mfailuresc，该文件并提出了涉及优化算法的上述约束条件。
矢量xmin和xmax确定系数K可采用的最大值和最小值。在这个示例中，对于三个系数来讲，有效电阻值(相当于1/K)设定在无穷(非阻尼)到1的范围内。为此，如下定义可以适用：xmin＝0和xmax＝1
选取优化法的起始点，以便在20处置入每个稳定块有效电阻的初始值，即：
x0＝[0.05 0.05 0.05]t
取鲁棒性裕度(RM)等于5。
当选择确定目标函数为最小值的系数ai时，可认为asc具有负的迹象，a1＝a2具有正的迹象，从而形成如下形式的fmin：
fmin(K1,K2,Ksc)＝-|asc|Ksc+|a1|(K1+K2)
|asc|+2|a1|＝1
这样，就可以优先考虑Ksc的“较大”值，反之，则寻找K1和K2的尽可能的最小值。比率ropt＝a1/asc用来对优化加权。该比率越大，负载1和2的系数越小。
优化的结果(根据功率范围P1∈[0,700W]和P2∈[0,500W]的比率ropt)说明，Ksc实际上总是大于K1和K2，为此，确认系数的迹象选择。此后，可以看出，K的值随着ropt而变化很小。这是由于负载2的稳定器失效情况下的约束条件所致。在这种情况下，只有负载1和SC可稳定总线。然而，考虑到电网的结构情况，如上所示，SC的稳定器仅限于对某些特征值移动带来影响。在这种情况下，负载1因此必须进行大部分稳定，为此，才设定了系数K1的值。对于其它系数，可以看出，在ropt值下降时，它们会减小。对于ropt<0.06时，算法不再趋于一致。
在本发明的上述具体实施中，且使用上述公式时，选择如下系数结束多块稳定系统的定尺寸设计：
Ksc＝0.084
K1＝0.008
K2＝0.0535
整个DC电网稳定的有效性可通过模拟和实验来验证。为此，可以开发电网的Simulink模型。图7至图9的曲线就是通过实验获得的。
图7所示图形给出了三个负载未稳定时直流总线电压(v1，v2，和vn)在对应功率步骤的图1电网三个负载上的变化情况。可以看出，在功率步骤之后，信号的振荡不稳定。相反，振荡幅度增加。在研究每个负载的传递函数的特征值vn/Ve时，人们会发现至少一部分传递函数共同特性零位值带有正的实部，因此说明了系统的不稳定性。
图8所示图形说明，当三个负载采用本发明方法稳定时，直流总线电压(v1，v2，和vn)在对应功率步骤的图1电网三个负载上的变化情况。不同于前一个图形，信号振荡稳定，振幅随着时间的推移而下降，以响应功率步骤。为此，直流电网得到稳定。
在研究每个负载传递函数的特征值vn/Ve时，可以看出，每个传递函数共同特性零位值都带有呈负的实部，为此，说明了所有三个支路同时工作时的电网的稳定性。
图9所示图形相当于图8，但在这个图形中，负载SC的稳定块失效，不再进行稳定。还可以看出，信号振荡稳定，对应功率步骤的振荡幅度随着时间的推移在消失。于是，直流电网保持稳定，尽管其中一个稳定块失去作用。
这些结果确认了所提方法的稳定作用。可以看出，当系统的各个稳定块的尺寸只一次确定的情况下，可以确保电网是稳定的，即使其中一个稳定块失效或电网重构的情况下。未包括在优化约束条件内的情景是不稳定的，这个更能确认上述情况。然后，在与优化期间未考虑的相应情景相联系的约束条件的情况下，多块系统不能提供系统的稳定性。
模拟结果上观察到的表征在实验试验时依然存在。人们已经发现，最具约束力的情景(系统响应至少被阻尼的情景)是稳定器1损坏时会发生什么。相反，约束力最低的情景则是SC稳定器失效时会发生什么。

Claims (8)

1.一种稳定直流电网(10)的方法，该直流电网带有向电气负载(12，18，24)提供动力的直流电压源(11)，该电气负载并联到该直流电压源的端子上，每个端子接收功率设定值，该方法的特征在于，通过在每个负载端子上产生的有效稳定阻抗，调节应用到负载上的功率设定值，以便稳定直流电网，这些有效阻抗被定尺寸，以便在各个预期工作点处并在直流电网的各种给定配置下稳定直流电网，直流电网的给定配置包括至少一个所述电气负载处于损坏的状态和所述电气负载处于稳定不工作的状态，每个有效阻抗通过非线性调节环路的稳定块产生，该环路影响相应负载的设定值，并适合产生稳定信号pv(t)，该信号用来叠加在负载的设定值上，从而升高设定值的阈值，当超过该阈值时直流电网是不稳定的，稳定信号种类是：
pv(t)＝vs(t).Cv.dvs/dt
或
pv(t)＝K.vs 2-X3
式中：
-vs表示负载端子处的电压，Cv和K是确定有效稳定阻抗的参数，及X3是截止频率wc的滤波器的输出信号，滤波器接收信号K.vs 2作为输入，以及
-增加参数Cv或K以及增量稳定信号，用来升高负载设定值的阈值并保证直流电网的稳定性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个调节环路使用产生K.f(x)类输出信号的非线性调节关系，其中，x是负载的控制变量，K是该负载特定的修正系数，修正系数(K1,K2,...,Kn)通过实施如下步骤来确定：
a)确定直流电网的数学模型，该模型由包括上述修正系数(K1,K2,...,Kn)的公式，上述修正系数(K1,K2,...,Kn)用来确保负载和直流电网的稳定性；
b)在直流电网重构情况下或至少一个负载失效情况下，确定需要符合的约束条件以便直流电网保持稳定；以及
c)通过优化算法确定修正系数的最佳矢量(X0)，以便验证某个矢量是否符合上述约束条件并计算稳定该矢量的目标函数，然后，重复这些步骤，直到获得可符合标准并具有最小可能修正系数的矢量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，需要符合的约束条件包括用于修正系数的可接受值范围和在出现如下情况时保持稳定的可接受值范围：
-直流电网重构，
-至少一个负载稳定失效，以及
-在直流电网特定参数值中给定的变化或不准确。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，数学模型包括公式，这些公式表示一个或多个负载失去的直流电网特征。
5.根据权利要求2到4任一项所述的方法，其特征在于，优化算法用来将使用一个矢量计算目标函数与使用另一个矢量计算同一函数进行比较，在该另一个矢量中，修正系数尽可能最小，然后，重复这些步骤，直到所述矢量与带有尽可能最小系数的矢量相同。
6.一种直流电网(10)，包括向电气负载(12,18,24)提供动力的直流电压电源(11)，这些负载并行连接到直流电压电源的端子上，每个端子接收功率设定值，所述直流电网的特征在于，通过安装在非线性调节环路上的稳定块(28)，调节应用到负载上的功率设定值，以稳定直流电网，每个稳定块用来产生负载的有效稳定阻抗，其输入端连接到在相应负载端子处测量功率的装置上，其输出端连接到通过加法电路(36)使用负载设定值的端子上，加法电路还连接到输出设定值的装置上。
7.根据权利要求6所述的直流电网，其特征在于，稳定块(28)包括低通滤波器(32)和减法器(34)，滤波器的输入端连接到测量功率的装置上，而其输出端连接到减法器上，减法器用来从来自测量装置的信号中去除滤波器输出信号。
8.一种交通运输工具，其特征在于，其包括根据权利要求6或7所述的直流电网(10)。
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