CN107154650B - 一种混合微网中交直流断面多换流器的协调控制方法 - Google Patents

Abstract

一种混合微电网中交直流断面多换流器的协调控制方法，包括：根据交直流微电网的结构、参数建立数学模型，具体是考虑boost电路开关非线性的特性，根据数值理论，采用平均状态法，建立boost电路的数学模型；考虑到交直流混合微电网中多个boost电路、光伏发电、微电网负荷和交流断面中多个换流器的特性，根据加权混合灵敏度问题的H_∞设计方法，将影响微电网控制效果的输入量进行分离，划分为可控变量和干扰量，即分为能够调节的电气量和不能够调节的电气量，建立状态空间；基于加权混合灵敏度问题的H_∞方法，设计交直流混合微电网交直流潮流断面多换流器K_∞协调控制器。本发明根据要设计的性能指标，可灵活通过调整权函数，不断提高控制器性能，保证直流系统电压质量。

Description

一种混合微网中交直流断面多换流器的协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种交直流断面多换流器的控制方法。特别是涉及一种混合微网中交直流断面多换流器的协调控制方法。

背景技术

当今能源与环境问题日益凸显，发展利用可再生能源已成为共识。微网作为一种包含可再生能源等分布式发电技术的综合集成技术，凭借其对可再生能源的高度兼容性和对分布式发电的灵活调控能力，在日益强调节能环保的今天得到了业内的普遍重视。交直流混合微网可综合发挥交流微网与直流微网的互补优势，拥有更加广泛的适用领域。

交直流混合微网运行控制问题是一个高维度、非线性、多电力电子器件的复杂系统控制问题。传统数学控制方法及其改进控制算法计算精确，但通常对系统数学模型精度有很高要求，当系统参数发生较小变化时会严重影响控制效果，鲁棒性较差而且求解难度大。近些年来，H_∞鲁棒控制理论发展迅速，在航天器控制方面得到了大规模应用，而在电力系统控制方面应用较少。

在经典理论中一般只分析单回路摄动，得到的稳定域往往大于多回路同时摄动。因此设计的控制器可能出现不稳定情况。基于回路成形的H_∞MIMO设计方法通过求解黎卡提方程能求得保证系统内稳定的控制器，并能根据系统要求设计多回路同时摄动的最大容许范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提高系统鲁棒性的混合微网中交直流断面多换流器的协调控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种混合微电网中交直流断面多换流器的协调控制方法，包括如下步骤：

1)根据交直流微电网的结构、参数建立数学模型，具体是考虑boost电路开关非线性的特性，根据数值理论，采用平均状态法，建立boost电路的数学模型；

2)考虑到交直流混合微电网中多个boost电路、光伏发电、微电网负荷和交流断面中多个换流器的特性，根据加权混合灵敏度问题的H_∞设计方法，将影响微电网控制效果的输入量进行分离，划分为可控变量和干扰量，即分为能够调节的电气量和不能够调节的电气量，建立状态空间；

3)基于加权混合灵敏度问题的H_∞方法，设计交直流混合微电网交直流潮流断面多换流器K_∞协调控制器。

步骤1)首先得到线性化的boost电路的数学模型

化简得到：

式中，

i_ds为boost电路升压电感电流，t₁为开关导通时间，t₂为开关周期，U_i1为boost电路输入电压，L_d1为boost电路升压电感的电抗值，U_d1为boost电路电容电压，C_d1为boost电路电容值，R_d1为boost电路等效直流电阻，U_o为boost电路输出电压。

步骤2)所述的将影响微电网控制效果的输入量进行分离，是将boost电路输入电压作为干扰量，将换流器滤波电容作为控制量，建立状态空间方程：

其中，

C＝[0 0 0 R/R_d1 R/R_d1 R/R_d1]

E₁＝[0 0 0] E₂＝[R/R₁ R/R₂ R/R₃]

并且有，

R_in＝1/(1/R₁+1/R₂+1/R₃+1/R_L)

S＝1/R_d1+1/R_d2+1/R_d3+1/R_in

R＝1/S

其中，各符号的定义如下：L_d1/L_d2/L_d3为Boost电路升压电感，C₁/C₂/C₃为直流滤波电容，D₁/D₂/D₃为Boost电路占空比，L₁/L₂/L₃为直流滤波电感，C_d1/C_d2/C_d3为Boost电路高端压容，R₁/R₂/R₃为滤波器与线路等效电阻，R_d1/R_d2/R_d3为Boost电路高压端直流输入电阻， R_L为负荷等效电阻。

步骤3)包括：

(1)建立加权混合灵敏度动态结构方程如下式，

在混合灵敏度设计方法中选取输出量y与参考值r的误差e作为控制器K_∞的输入量，G 是被控对象的控制输入量到输出量的传递函数G(s)；z₁、z₂、z₃为设计过程中衡量K_∞控制器的三个指标，其中，z₁衡量直流母线电压对参考值的追踪能力，z₁也是衡量不可控输入发生变化时，误差大小的指标，z₂衡量在控制器作用下闭环系统对加性摄动的容许度，z₃衡量控制器作用下闭环系统对乘性摄动的容许度；u是控制量；W₁、W₂、W₃为权函数；

(2)选择加权函数，根据控制器K_∞需要对各指标压缩的频段对W₁、W₂、W₃三个权函数的带宽进行设计；

(3)利用标准2-Riccati方程对加权混合灵敏度动态结构方程进行求解得到控制器K_∞。

第(3)步所述的求解是利用matlab软件中的鲁棒控制工具箱中的hinf函数求解，或是利用mixsyn函数求解，或是利用hinfsyn函数求解。

本发明的一种混合微网中交直流断面多换流器的协调控制方法，具有如下有益效果：

(1)克服了经典控制理论在处理MIMO系统稳定域时的不足之处。

(2)基于加权混合灵敏问题的H_∞方法将鲁棒性能直接反映在系统的设计指标中，不确定性反映在相应的权函数上。根据要设计的性能指标，可灵活通过调整权函数，不断提高控制器性能。使得控制对象在实际中所存在的建模不确定性和参数摄动问题能很好地在H_∞控制下得到解决。

(3)根据交直流混合微网的结构，建立数学模型，解决了系统中boost电路和换流器非线性元件带来的系统的稳定问题和控制精度问题。基于目前boost电路普遍采用MPPT算法控制的前提下，本发明中H_∞设计方法能够协调求解各个换流器中的控制器，使性能指标最优。因此控制器K_∞能提高换流系统的响应速度，充分发挥每台换流器的作用，有利于交直流能量互动，保证直流系统电压质量。

附图说明

图1是本发明适用的一种交直流混合微网结构图；

图2是本发明交直流混合微网动态结构图；

图3是本发明适用于交直流微电网的控制图；

图4是本发明中标准H_∞控制问题说明图；

图5是本发明中加权混合灵敏度动态结构图；

图6是本发明中的交直流微电网等值模型图；

图7是PV输出电压跌落10k V时，H_∞控制与PI控制效果对比图；

图8是PV出力降低时，H_∞控制与PI控制效果对比图；

图9是直流负荷变化时，H_∞控制与PI控制效果对比图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种混合微网中交直流断面多换流器的协调控制方法做出详细说明。

本发明的一种混合微电网中交直流断面多换流器的协调控制方法，是要克服传统方法及智能算法对非线性系统对模型精度的严格要求，利用H_∞鲁棒控制理论，提出加权灵敏度协调控制方法。本发明以交直流混合微网系统的对加性摄动和乘性摄动的容许度以及追踪误差为指标，根据回路成形原理，建立系统的动态结构图，确定广义被控对象。按照实际工程中对各个指标的要求，确定加权函数。通过对各个权重函数的控制，可以控制各个指标的性能。利用现行矩阵不等式方法进行求解控制器。

本发明的一种混合微电网中交直流断面多换流器的协调控制方法，包括如下步骤：

1)根据交直流微电网的结构、参数建立数学模型，具体是考虑boost电路开关非线性的特性，根据数值理论，采用平均状态法，建立boost电路的数学模型；

首先得到线性化的boost电路的数学模型

化简得到：

式中，i_ds为boost电路升压电感电流，t₁为开关导通时间，t₂为开关周期，U_i1为boost电路输入电压，L_d1为boost电路升压电感的电抗值，U_d1为boost电路电容电压，C_d1为boost电路电容值，R_d1为boost电路等效直流电阻，U_o为boost电路输出电压。

2)考虑到交直流混合微电网中多个boost电路、光伏发电、微电网负荷和交流断面中多个换流器的特性，根据加权混合灵敏度问题的H_∞设计方法，将影响微电网控制效果的输入量进行分离，划分为可控变量和干扰量，即分为能够调节的电气量和不能够调节的电气量，建立状态空间；

在交直流混合微电网中，考虑到光伏发电功率的不稳定特性，boost电路的非线性，各种设备参数变化对微电网直流母线造成的干扰。而交流侧较为稳定，通过换流器与微电网相连，增强微电网的稳定性和供电质量。光伏发电的控制方式一般为MPPT算法，为了保证最大功率追踪，boost电路的输入电压会不断改变，进而影响到微电网的供电质量和稳定性。本专利是采用的控制策略是通过控制换流器达到控制可控电气量，从而补偿干扰量引起的微电网电气量变化。

所述的将影响微电网控制效果的输入量进行分离，是将boost电路输入电压作为干扰量，将换流器滤波电容作为控制量，微电网结构如图2所示，所述的建立状态空间方程：

其中，

C＝[0 0 0 R/R_d1 R/R_d1 R/R_d1]

E₁＝[0 0 0] E₂＝[R/R₁ R/R₂ R/R₃]

并且有，

R_in＝1/(1/R₁+1/R₂+1/R₃+1/R_L)

S＝1/R_d1+1/R_d2+1/R_d3+1/R_in

R＝1/S

其中，各符号的定义如下：L_d1/L_d2/L_d3为Boost电路升压电感，C₁/C₂/C₃为直流滤波电容，D₁/D₂/D₃为Boost电路占空比，L₁/L₂/L₃为直流滤波电感，C_d1/C_d2/C_d3为Boost电路高端压容，R₁/R₂/R₃为滤波器与线路等效电阻，R_d1/R_d2/R_d3为Boost电路高压端直流输入电阻， R_L为负荷等效电阻。

3)基于加权混合灵敏度问题的H_∞方法，设计交直流混合微电网交直流潮流断面多换流器K_∞协调控制器。包括：

(1)建立加权混合灵敏度动态结构方程如下式，并如图5所示。

在混合灵敏度设计方法中选取输出量y与参考值r的误差e作为控制器K_∞的输入量，执行机构环节为上层控制到底层控制的传递函数，G是被控对象的控制输入量到输出量的传递函数G(s)；z₁、z₂、z₃为设计过程中衡量K_∞控制器的三个指标，其中，z₁衡量直流母线电压对参考值的追踪能力，z₁也是衡量不可控输入发生变化时，误差大小的指标，z₂衡量在控制器作用下闭环系统对加性摄动的容许度，z₃衡量控制器作用下闭环系统对乘性摄动的容许度； u是控制量；W₁、W₂、W₃为权函数；其中u＝K_∞e，则闭环系统如图4。

(2)选择加权函数，在实际系统中并不需要对全频谱都保证相同的追踪能力及闭环系统对加性摄动和乘性摄动的容许度。因此产生了加权函数。根据控制器K_∞需要对各指标压缩的频段对W₁、W₂、W₃三个权函数的带宽进行设计，优化控制器的实用性能；

(3)利用标准2-Riccati方程对加权混合灵敏度动态结构方程进行求解得到控制器K_∞。

所述的求解是利用matlab软件中的鲁棒控制工具箱中的hinf函数求解，或是mixsyn函数，或是hinfsyn函数。

下面给出实例：

考虑如图1所示的交直流混合微网，微网工作在正常状态下。交直流混合微网中的微源有三台容量相同的光伏发电，分别独自经过一个boost升压斩波电路并联到直流母线上，直流负荷由等值的直流电阻等效，直流微网通过三台并联的换流器经PCC点与10kV传统配电网相连。

具体建模如图2所示，为在直流区域中PV1、PV2、PV3是三个光伏电源，L_d1、L_d2、L_d3、C_d1、C_d2、C_d3分别是三个Boost电路中相应的电感和电容，R_d1、R_d2、R_d3是Boost电路及 boot电路到直流母线的等效电阻，R_L为直流负荷等效电阻。交流区域由e_s等效10kV交流母线。直流区域与交流区域由三个换流器相连，L₁、L₂、L₃、C₁、C₂、C₃分别为三个LC滤波器相应的等效电感电容参数，而R₁、R₂、R₃为滤波器与滤波与直流母线之间的总等效电阻。

模型参数如表1

表1模型参数

按照以上具体实施方式求解控制器K_∞得到：

仿真及分析：

仿真结构如图3。图6为控制系统结构。本实施例中假设三个PV和DC/DC的物理参数相同。PV额定电压为260V，直流母线电压参考值为560V，交流母线电压为380V，其他仿真参数见表1。为了验证控制器K_∞的性能，与PI控制器进行对比，PI控制参数为k_i＝5，k_p＝0.1。在以下设定工况下检验控制器K_∞的控制效果。

1、检验控制器K_∞的抗干扰性

1)工况一：在0.7s时PV输出电压由260V降落为220V，如图7所示，采用控制器K_∞控制时，直流母线电压0.7s时比PI控制少跌落1V，但是采用控制器K_∞控制时，电压的恢复时间明显小于PI控制下的恢复时间。证明控制器K_∞在被控对象输入量发生变化时，能有保证有效的跟踪精度，动态性能较好。由于PV电压是数学模型的输入量，因此也说明控制器K_∞设计方法比PI设计具有更好的抗干扰性。

2)工况二：每个光伏出力在0.7s时由25kW降为12.5kW，如图8所示，控制器K_∞与 PI控制下的直流母线电压最低点基本相同，都为556V左右，但是控制器K_∞控制时，直流母线电压恢复稳定时间大概为0.06s，而PI控制大概为0.07s。证明在光伏出力波动时，控制器 K_∞维持直流母线电压更有效。

2、检验控制器K_∞的鲁棒性

1)工况三：在0.7s时，直流负荷由50kW突增一倍为100kW。如图9所示，0.7s时， PI控制下直流母线电压跌落10V左右，控制器K_∞控制下直流母线电压跌落4V左右。两者的动态恢复时间大致相等，因此说明控制器K_∞控制对负荷摄动有更好的鲁棒效果。由于在设计控制器K_∞时，建立的状态方程中，负荷是状态矩阵系数。因此说明控制器K_∞控制比PI控制抗参数摄动效果好。

综上所述，通过本实施例的测试结果，说明本发明的一种混合微电网中交直流断面多换流器的协调控制方法，解决了系统鲁棒问题，将鲁棒性能直接反映在系统的设计指标中，不确定性反映在相应的权函数上。通过调整设计权函数，观察设计指标，将控制器的性能优化结果可视化。控制对象在实际中所存在的建模不确定性和参数摄动问题能很好地在控制器K_∞控制下得到解决。并且基于混合灵敏度问题的H_∞控制方法应用于多台并联换流器中进行协调控制，充分发挥每台换流器的作用，有利于交直流能量互动，保证直流系统供电质量。

Claims (4)

1.一种混合微网中交直流断面多换流器的协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据交直流微电网的结构、参数建立数学模型，具体是考虑boost电路开关非线性的特性，根据数值理论，采用平均状态法，建立boost电路的数学模型；具体是：

首先得到线性化的boost电路的数学模型

化简得到：

式中，

i_ds为boost电路升压电感电流，t₁为开关导通时间，t₂为开关周期，D为boost电路占空比，U_i1为boost电路输入电压，L_d1为boost电路升压电感的电抗值，U_d1为boost电路电容电压，C_d1为boost电路电容值，R_d1为boost电路等效直流电阻，U_o为boost电路输出电压；

2)考虑到交直流混合微电网中多个boost电路、光伏发电、微电网负荷和交流断面中多个换流器的特性，根据加权混合灵敏度问题的H_∞设计方法，将影响微电网控制效果的输入量进行分离，划分为可控变量和干扰量，即分为能够调节的电气量和不能够调节的电气量，建立状态空间；

3)基于加权混合灵敏度问题的H_∞方法，设计交直流混合微电网交直流潮流断面多换流器K_∞协调控制器。

2.根据权利要求1所述的一种混合微网中交直流断面多换流器的协调控制方法，其特征在于，步骤2)所述的将影响微电网控制效果的输入量进行分离，是将boost电路输入电压作为干扰量，将换流器滤波电容作为控制量，建立状态空间方程：

其中，

C＝[0 0 0 R/R_d1 R/R_d1 R/R_d1]

E₁＝[0 0 0] E₂＝[R/R₁ R/R₂ R/R₃]

并且有，

R_in＝1/(1/R₁+1/R₂+1/R₃+1/R_L)

S＝1/R_d1+1/R_d2+1/R_d3+1/R_in

R＝1/S

其中，各符号的定义如下：L_d1/L_d2/L_d3为Boost电路升压电感，D₁/D₂/D₃分别为第1个、第2个和第3个Boost电路占空比，L₁/L₂/L₃为直流滤波电感，C_d1/C_d2/C_d3为Boost电路高端压容，R₁/R₂/R₃为滤波器与线路等效电阻，R_d1/R_d2/R_d3为Boost电路高压端直流输入电阻，R_L为负荷等效电阻。

3.根据权利要求1所述的一种混合微网中交直流断面多换流器的协调控制方法，其特征在于，步骤3)包括：

(1)建立加权混合灵敏度动态结构方程如下式，

在混合灵敏度设计方法中选取输出量y与参考值r的误差e作为控制器K_∞的输入量，G是被控对象的控制输入量到输出量的传递函数G(s)；z₁、z₂、z₃为设计过程中衡量K_∞控制器的三个指标，其中，z₁衡量直流母线电压对参考值的追踪能力，z₁也是衡量不可控输入发生变化时，误差大小的指标，z₂衡量在控制器作用下闭环系统对加性摄动的容许度，z₃衡量控制器作用下闭环系统对乘性摄动的容许度；u是控制量；W₁、W₂、W₃为权函数；

(2)选择加权函数，根据控制器K_∞需要对各指标压缩的频段对W₁、W₂、W₃三个权函数的带宽进行设计；

(3)利用标准2-Riccati方程对加权混合灵敏度动态结构方程进行求解得到控制器K_∞。

4.根据权利要求3所述的一种混合微网中交直流断面多换流器的协调控制方法，其特征在于，第(3)步所述的求解是利用matlab软件中的鲁棒控制工具箱中的hinf函数求解，或是利用mixsyn函数求解，或是利用hinfsyn函数求解。

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