CN104333004B - 基于h∞混合灵敏度的微型燃气轮机鲁棒控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于H_∞混合灵敏度的微型燃气轮机鲁棒控制方法，包括如下步骤：根据微电网频率偏差Δf与功率偏差ΔP的关系式，由此建立微型燃气轮机的传递函数G_p(s)；建立灵敏度函数S和补灵敏度函数T，构造满足约束条件的加权函数W₁、W₂、W₃；建立微电网广义被控对象的闭环系统传递函数T_zw(s)，进而求取微型燃气轮机的H_∞控制器C_hinf的传递函数K(s)。该方法中构建了基于鲁棒H_∞控制的MT功率控制器，能够克服现有技术中多个控制器设计难度大、协调性能差、结构复杂等缺陷，有效提高了微电网系统的鲁棒性、动态性能和抗干扰能力。

Description

基于H∞混合灵敏度的微型燃气轮机鲁棒控制方法

技术领域

本发明是微电网中基于H_∞混合灵敏度的微型燃气轮机鲁棒控制方法，属于新能源电力系统与电网技术领域，结合现代鲁棒控制，为微电网平稳安全运行设计微型燃气轮机的控制器，适用于由风力发电系统、光伏发电系统、微型燃气轮机、燃料电池、用于制造氢气的且负荷可控的电解槽系统(或是储能系统)、用电负荷组成的微电网。

背景技术

随着能源需求的增长及化石能源的枯竭，能源结构的变化迫使人们积极寻找开发绿色、可循环的新能源。太阳能、风能有效缓解了能源需求，然而风能、太阳能的不稳定对电能的质量、电网的稳定是一个严峻的挑战。微型电网(简称微电网)应运而生，它是电力行业发展的一个新方向。微电网在孤岛模式下的稳定运行，可以充分发挥微电网的主观能动性，并提高供电的可靠性，具有长远的战略意义。

由监控系统、微型燃气轮机(MT)、用电负荷(Load)、用于制造氢气的且负荷可控的电解槽(ES)、储氢容器、燃料电池(FC)、光伏发电系统(PV)以及风力发电系统(WP)组成的孤岛模式下的微电网，如图1所示。由于WP、PV以及Load的波动，导致了微电网的功率波动以及频率的波动。H_∞混合灵敏度是鲁棒控制的一个重要的分支，H_∞控制在系统的动态性能、稳定性及鲁棒性的控制效果上优于传统控制方法。针对图1所示的微电网系统，为使微电网频率波动范围稳定在频率允许最大偏差内，提出了用于频率控制的微型燃气轮机的鲁棒控制方法。

因此，本发明提出将H_∞混合灵敏度原理应用到微型燃气轮机的控制器设计中，从而控制微电网频率的稳定。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种基于H_∞混合灵敏度的微型燃气轮机鲁棒控制方法，该方法将先进的鲁棒控制技术能够应用到微电网频率的控制中，能够提高微电网运行的可靠性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于H_∞混合灵敏度的微型燃气轮机鲁棒控制方法，其特征在于：该设计包括如下步骤：

(A)根据微电网频率偏差Δf与功率偏差ΔP的关系式，由此建立微型燃气轮机的传递函数G_p(s)，如下式：

其中，M为惯性系数，D为阻尼系数，s为拉普拉斯算子；在本发明中，微型燃气轮机即为被控对象；

(B)建立灵敏度函数S和补灵敏度函数T，构造满足约束条件的加权函数W₁、W₂、W₃；

(C)建立微电网广义被控对象的闭环系统传递函数T_zw(s)，进而求取微型燃气轮机的H_∞控制器C_hinf的传递函数K(s)。

优选地，所述步骤(B)中，通过如下公式建立灵敏度函数S和补灵敏度函数T：

其中，G_p(s)为微型燃气轮机的传递函数，K(s)为待求取的H_∞控制器的传递函数；

构造加权函数W₁、W₂、W₃，如下式所示：

W₂＝K₂

其中，K₁为微型燃气轮机期望的低频增益，K₂为W₃的放大系数，K₃为W₃的放大系数，A为W₃的剪切频率与W₁的剪切频率的位置关系参数，ω_c为微型燃气轮机期望的剪切频率，s为拉普拉斯算子。

优选地，所述步骤(B)中，所述加权函数的参数K₁、K₂、K₃、A和ω_c须同时满足下述约束条件：

①K₁≥20

②

③

④|K₃|＜1

⑤A≥3

其中，u_max为控制量u的上限值，ω_d为分布式电源和负荷的最大功率波动频率。

优选地，所述步骤(C)中，建立如下式的广义被控对象的闭环系统传递函数T_zw(s)：

其中，K(s)为待求取的H_∞控制器的传递函数。

优选地，所述步骤(C)中，基于2-Riccati方程法并根据控制器的边界条件，求取出如下所示的微型燃气轮机的H_∞控制器C_hinf的传递函数K(s)：

其中，b₁、b₀、ω_a1、ω_a2为传递函数K(s)中的参数变量，且满足ω_a2>ω_a1。

优选地，所述控制器的边界条件为：

“2-Riccati”方程法为最常用的H_∞控制器求解方法，具体可见翁正新、王广雄等的论文“混合灵敏度问题的鲁棒H_∞/LTR设计方法”。

本发明的控制方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明设计了一种用于微电网中基于H_∞混合灵敏度的微型燃气轮机鲁棒控制方法，该方法中构建了基于鲁棒H_∞控制的MT功率控制器(即：微型燃气轮机的H_∞控制器)，能够克服现有技术中多个控制器设计难度大、协调性能差、结构复杂等缺陷，有效提高了微电网系统的鲁棒性、动态性能和抗干扰能力；

2、与现有技术中“将总频率偏差转换为MT(微型燃气轮机)的功率偏差分量进行控制的方法”相比较，本发明能够从全局上对MT进行控制，无须中间转换过程，简化了控制器设计；并且由于所涉及控制器阶次低，容易在工程上实现，且运行维护更方便，稳定度更高。

附图说明

图1是微电网构成图；

图2是微电网频率控制仿真分析模型图；

图3是WP、PV、FC功率曲线图；

图4是Load、MT、ES功率曲线图；

图5是H_∞控制下微电网频率偏差图；

图6是加入H_∞控制器后S、T增益特性图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明基于H_∞混合灵敏度的微型燃气轮机鲁棒控制方法进行详细说明。

本例中基于H_∞混合灵敏度的微型燃气轮机鲁棒控制方法。包括如下步骤：

(1)某一微电网的各项参数数据见表1，可知被控对象

表1参数值

(2)设ω_d＝0.5，u_max＝1000，则选择满足约束条件的各参数分别为：K₁＝20，K₂＝0.001，K₃＝0.1，A＝5,ω_c＝20，因此加权函数分别为

(3)求解得到广义被控对象的闭环系统传递函数T_zw(s)如下：

由边界条件：

基于“2-Riccati”方程法求解得到微型燃气轮机H_∞控制器C_hinf的传递函数K(s)为

因此可从K(s)中直接读取出b₁＝19860，b₀＝1986，w_a1s+w_a2s＝69.36s，w_a1×w_a2＝0，由于需要满足w_a2>w_a1的条件，因此可求得w_a1＝0，w_a2＝69.36。

为了测试鲁棒控制器的有效性，将控制器应用于微电网的MATLAB/Simulink模型中进行了仿真验证。微电网频率控制仿真分析模型见图2。

图3为微电网模型中用到的风力发电系统输出功率曲线(WP)、光伏系统输出功率曲线(PV))以及燃料电池输出功率曲线(FC)。

图4给出了加入H_∞控制器后MT、ES、Load的功率变化曲线。通过MT的功率变化曲线可知MT在平抑频率波动过程中功率大小的变化。

图5为H_∞控制下微电网频率偏差图，可见加入H_∞控制器后，微电网频率偏差能稳定控制在±0.04Hz以内，此时微电网是满足稳定性要求的。

图6给出了灵敏度S及补灵敏度T的奇异值曲线，可见，构建的加权函数W₁、W₃满足求解H_∞控制器的边界条件。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，结合上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (3)

1.一种基于H_∞混合灵敏度的微型燃气轮机鲁棒控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(A)根据微电网频率偏差Δf与功率偏差ΔP的关系式，由此建立微型燃气轮机的传递函数G_p(s)，如下式：

$\frac{\mathrm{\Δ}f}{\mathrm{\Δ}P}=G_p\left(s\right)=\frac{1}{Ms+D}$

其中，M为惯性系数，D为阻尼系数，s为拉普拉斯算子；

(B)通过如下公式建立灵敏度函数S和补灵敏度函数T：

$S=\frac{1}{1+G_p\left(s\right)K\left(s\right)}$

$T=\frac{G_p\left(s\right)K\left(s\right)}{1+G_p\left(s\right)K\left(s\right)}$

其中，G_p(s)为微型燃气轮机的传递函数，K(s)为待求取的H_∞控制器的传递函数；

构造满足约束条件的加权函数W₁、W₂、W₃，如下式所示：

$W_1=\frac{K_1}{\frac{K_1}{{\mathrm{\ω}}_c}s+1}$

W₂＝K₂

$W_3=K_3(\frac{1}{{\mathrm{A\ω}}_c{K}_3}s+1)$

其中，K₁为微型燃气轮机期望的低频增益，K₂为W₂的放大系数，K₃为W₃的放大系数，A为W₃的剪切频率与W₁的剪切频率的位置关系参数，ω_c为微型燃气轮机期望的剪切频率，s为拉普拉斯算子；

(C)建立如下式的微电网广义被控对象的闭环系统传递函数T_zw(s)：

$T_{zw}\left(s\right)=\left[\begin{array}{c}{W}_{1}S\\ W_{2}K\left(s\right)S\\ W_{3}T\end{array}\right]$

其中，K(s)为待求取的H_∞控制器的传递函数，S为灵敏度函数，T为补灵敏度函数；

基于2-Riccati方程法并根据控制器的边界条件，进而求取微型燃气轮机的H_∞控制器C_hinf的传递函数K(s)：

$K\left(s\right)=\frac{b_{1}s+b_0}{(s+{\mathrm{\ω}}_{a1})(s+{\mathrm{\ω}}_{a2})}$

其中，b₁、b₀、ωa1、ω_a2为传递函数K(s)中的参数变量，且满足ω_a2>ωa1。

2.如权利要求1所述的一种基于H_∞混合灵敏度的微型燃气轮机鲁棒控制方法，其特征在于，所述步骤(B)中，所述加权函数的参数K₁、K₂、K₃、A和ω_c须同时满足下述约束条件：

①K₁≥20

④|K₃|<1

⑤A≥3

其中，u_max为控制量u的上限值，ω_d为分布式电源和负荷的最大功率波动频率。

3.如权利要求1所述的一种基于H_∞混合灵敏度的微型燃气轮机鲁棒控制方法，其特征在于，所述控制器的边界条件为：

$\left|\right|\begin{array}{c}{W}_{1}S\\ W_{2}K\left(s\right)S\\ W_{3}T\end{array}|{|}_{\mathrm{\&infin;}}<1.$