CN108521143A - 一种计及不确定性的交直流混合微网并网鲁棒控制方法 - Google Patents

Abstract

一种计及不确定性的交直流混合微网并网鲁棒控制方法，包括：根据交直流混合微网并网拓扑结构，基于叠加定理分别建立交直流混合微网并网数学模型和前馈系统数学模型；独立控制直流子微网，为交直流混合微网中滤波电容提供参考电压；构建交直流混合微网并网鲁棒控制器，实现交直流混合微网柔性并网，提高交直流混合微网鲁棒性能。本发明的一种计及不确定性的交直流混合微网并网鲁棒控制方法，能实现交直流混合微网并网时并网点电流不出现过流现象，达到无缝切换，且在一定参数摄动的工况下交直流混合微网仍能正常并网。

Description

一种计及不确定性的交直流混合微网并网鲁棒控制方法

技术领域

本发明涉及一种交直流混合微网并网鲁棒控制方法。特别是涉及一种计及不确定性的交直流混合微网并网鲁棒控制方法。

背景技术

微网为高密度分布式能源接入配电网提供了一种有效途径。交直流混合微网可综合利用交流微网和直流微网的各自优势，减少电能变换环节，让分布式电源能更灵活、可靠、经济的并网运行，从而提高供电可靠性和电能质量。

交直流混合微网可划分为交流子微网、直流子微网、交-直功率调控区域三部分，以“分区自治，区域协调”的控制新形态，保证交直流混合微网高效、稳定运行。即：在交流子微网和直流子微网内部分别进行独立控制，满足各自内部供能需求，当各子微网内部无法实现源-荷-储功率平衡，需通过双向潮流控制器进行交流子微网和直流子微网间的功率交互，保持整个交直流混合微网系统的功率平衡；交直流混合微网并网时，配电网与交直流混合微网之间存在功率传输，需保证并网点电流不出现过流现象，实现无缝切换；并网后，通过源-网-荷-储间的功率交互，维持交直流混合微网系统正常运行。交直流混合微网中含有的分布式电源、逆变器中的元器件老化，模型建立不精确等因素，使得交直流混合微网模型具有不确定性，加剧了交直流混合微网并网的难度。为了有效应对交直流混合微网的不确定性，实现交直流混合微网柔性并网，需研究交直流混合微网并网鲁棒控制技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能实现交直流混合微网并网时并网点电流不出现过流现象，达到无缝切换的计及不确定性的交直流混合微网并网鲁棒控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种计及不确定性的交直流混合微网并网鲁棒控制方法，包括如下步骤：

1)根据交直流混合微网并网拓扑结构，基于叠加定理分别建立交直流混合微网并网数学模型和前馈系统数学模型；

2)独立控制直流子微网，为交直流混合微网中滤波电容提供参考电压；

3)构建交直流混合微网并网鲁棒控制器，实现交直流混合微网柔性并网，提高交直流混合微网鲁棒性能。

步骤1)具体包括根据交直流混合微网并网拓扑结构，应用叠加定理分别建立以双向潮流控制器等效电源为独立电压源的并网数学模型，及以并网等效电源为独立电压源的前馈系统数学模型；其中，

所述的以双向潮流控制器等效电源为独立电压源的并网数学模型为：

y＝[0 0 1][x₁ x₂ x₃]^T

x₁＝i_e，x₂＝i_s，x₃＝u_c，u＝u_e，y＝u_c

i_e为双向潮流控制器侧的电流

i_s为并网侧的电流

u_c为滤波电容两端电压

u_e为双向潮流控制器等效电源两端的电压

R_s为并网侧的电阻

L_s为并网侧电感

R_e为双向潮流控制器侧的电阻

L_e为双向潮流控制器侧的电感

C为滤波电容；

(2)前馈系统将并网等效电源视为混合灵敏度优化问题模型中的干扰项，所述的前馈系统用于消除并网等效电源对交直流混合微网的影响，所述的以并网等效电源为独立电压源的前馈系统数学模型为：

y＝[0 0 1][x₁ x₂ x₃]^T

x₁＝i_s，x₂＝i_e，x₃＝u_c，u＝u_s，y＝u_c；u_s为并网等效电源电压。

步骤2)具体包括：将直流子微网中直流母线参考电压u_{dc_ref}与直流母线电压u_dc相减，差值送入PI控制器后得到有功电流参考值I_{p_ref}，通过时域功率分析计算方法，得到交直流混合微网滤波电容参考电压u_{c_ref}，所述的时域功率分析计算方法是采用如下公式：

U_s为t时刻并网等效电源电压u_s的有效值；

I_{p_ref}为有功电流参考值

I_{q_ref}为无功电流参考值

i_{s_ref}为并网侧的电流参考值

u_{c_ref}为滤波电容电压参考值

L_s为并网侧电感

T_s为采样周期。

步骤3)具体包括：

(1)根据步骤1)中建立的以双向潮流控制器等效电源为独立电压源的并网数学模型，得到并网数学模型的状态方程为：

其中

C＝[0 0 1]，D＝[0]

R_s为并网侧的电阻

L_s为并网侧电感

R_e为双向潮流控制器侧的电阻

L_e为双向潮流控制器侧的电感

C为滤波电容；

(2)基于混合灵敏度优化问题构建交直流混合微网并网鲁棒控制器，选取混合灵敏度优化问题中的权函数W₁，W₂，W₃，其中，W₁是对灵敏度函数S的加权函数，选取具有高增益低通特性的W₁为：

W₂是对灵敏度函数R的加权函数，表示闭环系统允许加性不确定性摄动的范围，在选取W₂时需同时兼顾系统带宽、系统饱和现象、对系统噪声的抑制三方面要求，选取的W₂为：

W₂＝0.01

W₃是对补灵敏度函数T的加权函数，表示闭环系统允许乘性不确定性摄动的范围，选取具有高通滤波功能的W₃为：

s为拉普拉斯算子；

(3)根据以双向潮流控制器等效电源为独立电压源的并网数学模型和混合灵敏度优化问题中的权函数W₁，W₂，W₃，得到广义被控对象P表达式为：

R_s为并网侧的电阻

L_s为并网侧电感

R_e为双向潮流控制器侧的电阻

L_e为双向潮流控制器侧的电感

C为滤波电容；

选取一个小于1的初值γ₀，求解Riccati方程：

判断方程是否满足如下的约束条件：

是否具有半正定解X≥0，Y≥0；

是否为稳定阵；

是否为稳定阵；

λ_max(XY)＜γ²；

其中只要有一项约束条件不满足，则增大γ₀的数值，若全满足则逐渐减小γ₀的数值，经过若干次迭代，求出满足约束条件和设定的精度要求的近似最优解γ，并得到该近似最优解γ对应的Riccati方程的解X_∞，Y_∞，从而得到并网鲁棒控制器为：

其中Z_∞＝(I-γ^-2Y_∞X_∞)^-1。

本发明的一种计及不确定性的交直流混合微网并网鲁棒控制方法，能实现交直流混合微网并网时并网点电流不出现过流现象，达到无缝切换，且在一定参数摄动的工况下交直流混合微网仍能正常并网。具体具有如下收益效果：

1、本发明所提控制方法能够实现交直流混合微网柔性并网，并网时动态响应速度快，无冲击电流，能够实现无缝切换。

2、本发明所提控制方法考虑了模型不确定性，能够在交直流混合微网中元件参数摄动时，保证交直流混合微网顺利并网，有效提高交直流混合微网的鲁棒性能，满足交直流混合微网对电能质量指标的高要求。

附图说明

图1是交直流混合微网典型拓扑图；

图2是交直流混合微网并网拓扑结构图；

图3是以并网等效电源为单独电压源的等值电路原理图；

图4是以双向潮流控制器等效电源为单独电压源的等值电路原理图；

图5是混合灵敏度优化问题原理图；

图6是本发明的计及不确定性的交直流混合微网并网鲁棒控制方法框图；

图7是采用PI控制时并网点电压电流波形图；

图8是采用H_∞控制时并网点电压电流波形图；

图9是并网电流波形对比图；

图10是采用PI控制时交流母线电流波形示意图；

图11是参数摄动前采用PI控制时并网点电流谐波情况示意图；

图12是参数摄动后采用PI控制时并网点电流谐波情况示意图；

图13是参数摄动前采用H_∞控制时并网点电流谐波情况示意图；

图14是参数摄动前采用H_∞控制时并网点电流谐波情况示意图；

图15是并网功率波形对比图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种计及不确定性的交直流混合微网并网鲁棒控制方法做出详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是实例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图6所示，本发明的一种计及不确定性的交直流混合微网并网鲁棒控制方法，包括：

1)根据交直流混合微网并网拓扑结构，基于叠加定理分别建立交直流混合微网并网数学模型和前馈系统数学模型；具体是根据图2所示的交直流混合微网并网拓扑结构，应用叠加定理分别建立如图3所示的以双向潮流控制器等效电源为独立电压源的并网数学模型，及如图4所示的以并网等效电源为独立电压源的前馈系统数学模型。

(1)所述的以双向潮流控制器等效电源为独立电压源的并网数学模型为：

y＝[0 0 1][x₁ x₂ x₃]^T

x₁＝i_e，x₂＝i_s，x₃＝u_c，u＝u_e，y＝u_c

i_e为双向潮流控制器侧的电流

i_s为并网侧的电流

u_c为滤波电容两端电压

u_e为双向潮流控制器等效电源两端的电压

R_s为并网侧的电阻

L_s为并网侧电感

R_e为双向潮流控制器侧的电阻

L_e为双向潮流控制器侧的电感

C为滤波电容；

(2)图5为混合灵敏度优化问题模型，前馈系统将图2所示的交直流混合微网并网拓扑结构中的并网等效电源视为混合灵敏度优化问题模型中的干扰项d，所述的前馈系统用于消除并网等效电源对交直流混合微网的影响，所述的以并网等效电源为独立电压源的前馈系统数学模型为：

y＝[0 0 1][x₁ x₂ x₃]^T

x₁＝i_s，x₂＝i_e，x₃＝u_c，u＝u_s，y＝u_c；u_s为并网等效电源电压。

2)对交直流混合微网中的交流子微网和直流子微网分别独立控制。独立控制直流子微网，直流子微网需为交直流混合微网中滤波电容提供参考电压；具体包括：

将直流子微网中直流母线参考电压u_{dc_ref}与直流母线电压u_dc相减，差值送入PI控制器后得到有功电流参考值I_{p_ref}，通过时域功率分析计算方法，得到交直流混合微网滤波电容参考电压u_{c_ref}，所述的时域功率分析计算方法是采用如下公式：

U_s为t时刻并网等效电源电压u_s的有效值；

I_{p_ref}为有功电流参考值

I_{q_ref}为无功电流参考值

i_{s_ref}为并网侧的电流参考值

u_{c_ref}为滤波电容电压参考值

L_s为并网侧电感

T_s为采样周期；

3)构建交直流混合微网并网鲁棒控制器，实现交直流混合微网柔性并网，提高交直流混合微网鲁棒性能。具体包括：

(1)根据步骤1)中建立的以双向潮流控制器等效电源为独立电压源的并网数学模型，得到并网数学模型的状态方程为：

其中

C＝[0 0 1]，D＝[0]

R_s为并网侧的电阻

L_s为并网侧电感

R_e为双向潮流控制器侧的电阻

L_e为双向潮流控制器侧的电感

C为滤波电容；

(2)基于混合灵敏度优化问题构建交直流混合微网并网鲁棒控制器，选取混合灵敏度优化问题中的权函数W₁，W₂，W₃，其中，W₁是对灵敏度函数S的加权函数，W₁的直流增益应较大，需保证在低频段减小跟踪误差，抑制扰动量对系统的影响，选取具有高增益低通特性的W₁为：

W₂是对灵敏度函数R的加权函数，表示闭环系统允许加性不确定性摄动的范围，在选取W₂时需同时兼顾系统带宽、系统饱和现象、对系统噪声的抑制三方面要求，选取的W₂为：

W₂＝0.01

W₃是对补灵敏度函数T的加权函数，表示闭环系统允许乘性不确定性摄动的范围，系统的标称对象可准确描述对象的低频特性，但对象的高频特性难以准确描述，高频未建模动态特性会引起对象增益和相位的不确定性，因此W₃的选取要保证系统在较高频率处有较大的稳定裕度。选取具有高通滤波功能的W₃为：

s为拉普拉斯算子；

(3)根据以双向潮流控制器等效电源为独立电压源的并网数学模型和混合灵敏度优化问题中的权函数W₁，W₂，W₃，得到广义被控对象P表达式为：

R_s为并网侧的电阻

L_s为并网侧电感

R_e为双向潮流控制器侧的电阻

L_e为双向潮流控制器侧的电感

C为滤波电容；

选取一个小于1的初值γ₀，求解Riccati方程：

判断方程是否满足如下的约束条件：

(3.1)是否具有半正定解X≥0，Y≥0；

(3.2)是否为稳定阵；

(3.3)是否为稳定阵；

(3.4)λ_max(XY)＜γ²；

其中只要有一项约束条件不满足，则增大γ₀的数值，若全满足则逐渐减小γ₀的数值，经过若干次迭代，求出满足约束条件和设定的精度要求的近似最优解γ，并得到该近似最优解γ对应的Riccati方程的解X_∞，Y_∞，从而得到并网鲁棒控制器为：

其中Z_∞＝(I-γ^-2Y_∞X_∞)^-1。

如图6所示，根据步骤2)得到滤波电容参考电压u_{c_ref}，根据步骤1)得到并网等效电源电压u_s对交直流混合微网影响的等效电压u'_c，用滤波电容电压参考值u_{c_ref}与并网等效电源电压u_s对交直流混合微网影响的等效电压u'_c之和减去滤波电容两端电压u_c，将差值作为步骤3)得到的并网鲁棒控制器K_∞的输入量，并网鲁棒控制器K_∞的输出量为控制变量u，根据基尔霍夫电流定律，用控制变量u加上并网等效电源对交直流混合微网影响的等效电压u'_c，再减去双向潮流控制器侧的电流i_e流过双向潮流控制器侧的电阻R_e和双向潮流控制器侧的电感L_e后产生的电压，得到滤波电容两端电压u_c，滤波电容两端电压u_c作用于并网侧电阻R_s和并网侧电感L_s，得到并网侧电流i_s。滤波电容两端电压u_c作为输入量送入后续控制器，完成控制过程。

下面给出实施例

在图1所示的交直流混合微网典型拓扑结构下，给出相关实施例。其中，各项参数如表1所示：

表1.各元件参数

根据表1参数，按步骤3)可计算得：

γ＝0.1203

并网鲁棒控制器为：

实施例1：并网点电压为标准工频正弦电压，交直流混合微网离网运行，在0.3s时并入大电网。

由图7和图8可看出，在0.3s并网后，采用H_∞鲁棒控制和PI控制均可实现交直流混合微网系统并网，不会出现振荡失稳情况。由图9可看出，采用H_∞鲁棒控制的系统无冲击电流，可在2个工频周期内达到稳态；而采用PI控制的系统有一定的冲击电流，需要经过6个工频周期才能达到稳态。即采用H_∞鲁棒控制无并网冲击电流，可更快速精准的实现交直流混合微网并网控制。

实施例2：并网点电压为标准工频正弦电压，交直流混合微网采用H_∞鲁棒控制，离网运行至0.3s时，交流负荷突增80kW。

由图10可以看出，当交流负荷发生阶跃扰动时，H_∞鲁棒控制能够维持交流母线电流稳定，并使得甲流母线电流具有优良的动态响应，无冲击电流，动态调节时间足够短。

实施例3：并网点电压为标准工频正弦电压。交直流混合微网运行于并网状态，0.9s时离网。为验证所设计的H_∞鲁棒控制器的性能，令表1所示系统滤波器参数摄动30％，即R_e＝0.14Ω，R_s＝0.07Ω，L_e＝1.05mH，L_s＝0.42mH，C＝1050uF。

由图11和图13可以看出，在系统元件参数摄动前，采用PI控制与H_∞鲁棒控制时系统的谐波畸变率(totalharmonicdistortion，THD)分别为0.50％和0.41％，基本都能实现无误差跟踪，控制效果良好。由图12和图14可以看出，考虑模型不确定性，在系统元件参数摄动后，采用PI控制的系统性能恶化，THD大幅度增长为10.70％，已无法维持系统的正常运行，鲁棒性差；而采用H_∞鲁棒控制的系统THD仅增长为2.17％，仍能保持系统正常运行，鲁棒性强。

图15为系统元件参数摄动后，采用PI控制与采用H_∞鲁棒控制的并网功率对比。从图中可看出，采用H_∞鲁棒控制的系统鲁棒性很强，在系统元件参数摄动的情况下，其运行状况明显优于采用PI控制的系统。

Claims (4)

1.一种计及不确定性的交直流混合微网并网鲁棒控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据交直流混合微网并网拓扑结构，基于叠加定理分别建立交直流混合微网并网数学模型和前馈系统数学模型；

2)独立控制直流子微网，为交直流混合微网中滤波电容提供参考电压；

3)构建交直流混合微网并网鲁棒控制器，实现交直流混合微网柔性并网，提高交直流混合微网鲁棒性能。

2.根据权利要求1所述的一种计及不确定性的交直流混合微网并网鲁棒控制方法，其特征在于，步骤1)具体包括根据交直流混合微网并网拓扑结构，应用叠加定理分别建立以双向潮流控制器等效电源为独立电压源的并网数学模型，及以并网等效电源为独立电压源的前馈系统数学模型；其中，

所述的以双向潮流控制器等效电源为独立电压源的并网数学模型为：

y＝[0 0 1][x₁ x₂ x₃]^T

x₁＝i_e，x₂＝i_s，x₃＝u_c，u＝u_e，y＝u_c

i_e为双向潮流控制器侧的电流

i_s为并网侧的电流

u_c为滤波电容两端电压

u_e为双向潮流控制器等效电源两端的电压

R_s为并网侧的电阻

L_s为并网侧电感

R_e为双向潮流控制器侧的电阻

L_e为双向潮流控制器侧的电感

C为滤波电容；

(2)前馈系统将并网等效电源视为混合灵敏度优化问题模型中的干扰项，所述的前馈系统用于消除并网等效电源对交直流混合微网的影响，所述的以并网等效电源为独立电压源的前馈系统数学模型为：

y＝[0 0 1][x₁ x₂ x₃]^T

x₁＝i_s，x₂＝i_e，x₃＝u_c，u＝u_s，y＝u_c；u_s为并网等效电源电压。

3.根据权利要求1所述的一种计及不确定性的交直流混合微网并网鲁棒控制方法，其特征在于，步骤2)具体包括：将直流子微网中直流母线参考电压u_{dc_ref}与直流母线电压u_dc相减，差值送入PI控制器后得到有功电流参考值I_{p_ref}，通过时域功率分析计算方法，得到交直流混合微网滤波电容参考电压u_{c_ref}，所述的时域功率分析计算方法是采用如下公式：

U_s为t时刻并网等效电源电压u_s的有效值；

I_{p_ref}为有功电流参考值

I_{q_ref}为无功电流参考值

i_{s_ref}为并网侧的电流参考值

u_{c_ref}为滤波电容电压参考值

L_s为并网侧电感

T_s为采样周期。

4.根据权利要求1所述的一种计及不确定性的交直流混合微网并网鲁棒控制方法，其特征在于，步骤3)具体包括：

(1)根据步骤1)中建立的以双向潮流控制器等效电源为独立电压源的并网数学模型，得到并网数学模型的状态方程为：

其中

R_s为并网侧的电阻

L_s为并网侧电感

R_e为双向潮流控制器侧的电阻

L_e为双向潮流控制器侧的电感

C为滤波电容；

(2)基于混合灵敏度优化问题构建交直流混合微网并网鲁棒控制器，选取混合灵敏度优化问题中的权函数W₁，W₂，W₃，其中，W₁是对灵敏度函数S的加权函数，选取具有高增益低通特性的W₁为：

W₂是对灵敏度函数R的加权函数，表示闭环系统允许加性不确定性摄动的范围，在选取W₂时需同时兼顾系统带宽、系统饱和现象、对系统噪声的抑制三方面要求，选取的W₂为：

W₂＝0.01

W₃是对补灵敏度函数T的加权函数，表示闭环系统允许乘性不确定性摄动的范围，选取具有高通滤波功能的W₃为：

s为拉普拉斯算子；

(3)根据以双向潮流控制器等效电源为独立电压源的并网数学模型和混合灵敏度优化问题中的权函数W₁，W₂，W₃，得到广义被控对象P表达式为：

R_s为并网侧的电阻

L_s为并网侧电感

R_e为双向潮流控制器侧的电阻

L_e为双向潮流控制器侧的电感

C为滤波电容；

选取一个小于1的初值γ₀，求解Riccati方程：

判断方程是否满足如下的约束条件：

是否具有半正定解X≥0，Y≥0；

是否为稳定阵；

是否为稳定阵；

λ_max(XY)＜γ²；

其中只要有一项约束条件不满足，则增大γ₀的数值，若全满足则逐渐减小γ₀的数值，经过若干次迭代，求出满足约束条件和设定的精度要求的近似最优解γ，并得到该近似最优解γ对应的Riccati方程的解X_∞，Y_∞，从而得到并网鲁棒控制器为：

其中Z_∞＝(I-γ^-2Y_∞X_∞)^-1。