CN108808682A - 基于复合鲁棒控制的单三相混合多微网电压控制方法 - Google Patents

基于复合鲁棒控制的单三相混合多微网电压控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于复合鲁棒控制的单三相混合多微网电压控制方法。该方法由鲁棒控制器和准比例谐振(QPR)控制器两部分组成。鲁棒控制器的构造是基于灵敏度指标的设计、状态空间方程的构建以及广义被控对象的优化问题求解来实现。鲁棒控制器和准比例谐振控制器将电网电压和参考电压的差值作为系统输入信号，基于对系统误差、控制输出和系统鲁棒性的加权控制来实现对输出电压的控制。本发明方法在应对电源输出功率波动和负荷突变时表现出了较强的鲁棒性。

Description

基于复合鲁棒控制的单三相混合多微网电压控制方法
技术领域
本发明属于微电网控制技术领域，特别涉及一种基于复合鲁棒控制的单三相混合多微网电压控制方法。
背景技术
微电网是分布式能源最有效的利用方式之一，它将分布式能源和所有发电配电设备及二次设备有机的结合在一起，形成一个可以独立运行的小型发用电系统。微电网的不断增多促进了微电网之间的互联，一定区域内的多个微电网互联在一起便形成了多微网系统。多微网的电压稳定控制是维持整个多微网稳定运行及各个用电设备正常工作的关键，针对多微网电压控制方法展开深入研究对推动多微网的建设与发展具有重要意义。
经对现有技术文献的检索发现，Advanced control and managementfunctionalities for multi-microgrids(A.G.Madureira,J.C.Pereira,N.J.Gil,J.A.P.Lopes,G.N.Korres,and N.D.Hatziargyriou,“Advanced control and managementfunctionalities for multi-microgrids,”International Transactions onElectrical Energy Systems,vol.21,no.2,pp.1159–1177,Mar.2011.)讨论的系统是一个由连接在中压馈线上的多个低压微电网和分布式发电单元组成的多微网。作者将低压微电网、分布式发电单元和需求侧管理控制下的中压负荷作为控制管理的目标，就此提出了一种基于元启发式方法(进化粒子群算法)的多微网电压控制方法；Integratedmicrogeneration,load and energy storage control functionality under the multimicro-grid concept(J.Vasiljevska,J.A.Pec，as Lopes,and M.A.Matos,“Integratedmicrogeneration,load and energy storage control functionality under the multimicro-grid concept,”Electric Power Systems Research,vol.95,pp.292–301,Feb.2013.)提出了一种适用于高压或中压变电站的控制方法，该方法通过使用不同的约束条件对微电源、负荷和储能装置进行控制，进而实现了对多微网电压的控制；Multi-microgrid energy systems operation incorporating distribution-interline powerflow controller(A.Kargarian and M.Rahmani,“Multi-microgrid energy systemsoperation incorporating distribution-interline power flow controller,”Electric Power Systems Research,vol.129,pp.208–216,Dec.2015.)则提出了另外一种方法，该方法通过构建运营成本、电压偏移和馈线拥堵的加权最小优化问题，并加入电压约束条件来实现整个多微网的电压控制。上述控制方法均采用二级控制方法，但二级控制过于依赖通信，通信通道损坏或拥堵时控制可靠性会受到一定影响。且以上电压控制仍采用传统PI控制，其在应对微电源输出功率波动和负载突变等大干扰时的抗干扰能力较差。
发明内容
本发明目的是为了改进上述现有技术中存在的不足，提供一种基于复合鲁棒控制的单三相混合多微网电压控制方法，相对于传统电压控制方法，在单三相混合多微网中应对电源输出功率波动和负荷波动时，具有较强的鲁棒性。且该方法结构简单，易于实现。
本发明采取的技术方案为：
基于复合鲁棒控制的单三相混合多微网电压控制方法，包括以下步骤：
步骤1：建立基于复合鲁棒控制的电压控制数学模型，其传递函数为：
其中G(s)为控制通道传递函数；GQPR(s)为准谐振控制器传递函数；K(s)为鲁棒反馈控制器传递函数。[K(s)+GQPR(s)]G(s)组成主控制通道，其为闭环控制。
步骤2：根据H∞控制标准问题，设计鲁棒控制器的闭环系统输出传递函数：
根据H∞控制标准问题，系统输入w＝[ig1 vref]T，其中ig1为电网电流，vref为参考电压；系统输出z＝[ze zu zt]T，其中ze、zu和zt表示误差输出、控制输出和系统鲁棒性能的输出量。含有鲁棒控制器的闭环系统输出传递函数矩阵形式可表示为：
其中，u表示控制输出信号，y表示量测输出信号，G为广义传递函数矩阵，K为待设计的鲁棒控制器。
步骤3：建立状态空间方程、灵敏度函数，构造合适的加权函数：
针对广义被控系统选择电感电流if1和滤波电容电压vc作为状态变量x＝[if1 vc]T，同时，w＝[ig1 vref]T，可得到如下状态方程：
在状态方程中，为状态变量的一阶微分形式，A1为系统矩阵，B11、B12为输入矩阵，且其中Rf1、Lf1和Cf1为储能主电路中的电阻、电感和电容的值。
步骤4：构造广义被控对象的优化问题，该优化问题可描述为：
上式中，p为满足要求的鲁棒控制器集合，ξ为权重系数。灵敏度函数为
S(s)＝[1+G(s)K(s)]-1，补灵敏度函数为：Tur(s)＝K(s)[1+G(s)K(s)]-1。
鲁棒控制器输出到输入的闭环传递函数Tyr(s)＝[1+G(s)K(s)]-1G(s)K(s)，基于对系统频率响应要求设计跟踪偏差加权函数We(s)为：
其中，M为s的频率响应的最大峰值，A为系统的最大稳态跟踪误差，为系统的最小带宽频率。
Wu(s)表示控制输出的加权函数，被用来控制输入信号的大小。
Wt(s)表示系统鲁棒性能的加权函数，应保障在高频时的增益足够大。
对上述优化问题求解可得鲁棒反馈控制器K(s)。
步骤5：准比例谐振控制器传递函数为：
其中，s为复频域算子，ω1为基波角频率，KP为比例参数，KR为谐振参数，为影响系统带宽的参数。
本发明一种基于复合鲁棒控制的单三相混合多微网电压控制方法，有益效果如下：系统鲁棒性得到显著增强，响应速度得到明显提高，在应对电源输出功率波动和负荷突变时，能够使输出电能具有较高的电能质量。
附图说明
图1是多微网结构图。
图2是H∞控制结构图。
图3是本发明系统控制方法的传递函数结构框图。
图4(a)是多微网中微电源输出功率突变时的实验电压波形图。
图4(b)是多微网中微电源输出功率突变时的实验电流波形图。
图4(c)是图4(a)的Ⅰ处放大视图。
图4(d)是图4(a)的Ⅱ处放大视图。
具体实施方式
基于复合鲁棒控制的单三相混合多微网电压控制方法，包括以下步骤：
步骤1：建立基于复合鲁棒控制的电压控制数学模型，其传递函数为：
其中G(s)为控制通道传递函数；GQPR(s)为准谐振控制器传递函数；K(s)为鲁棒反馈控制器传递函数。[K(s)+GQPR(s)]G(s)组成主控制通道，其为闭环控制。
步骤2：根据H∞控制标准问题，设计鲁棒控制器的闭环系统输出传递函数：
根据H∞控制标准问题，系统输入w＝[ig1 vref]T，其中ig1为电网电流，vref为参考电压；系统输出z＝[ze zu zt]T，其中ze、zu和zt表示误差输出、控制输出和系统鲁棒性能的输出量。含有鲁棒控制器的闭环系统输出传递函数矩阵形式可表示为：
其中，u表示控制输出信号，y表示量测输出信号，G为广义传递函数矩阵，K为待设计的鲁棒控制器。
步骤3：建立状态空间方程、灵敏度函数，构造合适的加权函数：
针对广义被控系统选择电感电流if1和滤波电容电压vc作为状态变量x＝[if1 vc]T，同时，w＝[ig1 vref]T，可得到如下状态方程：
在状态方程中，为状态变量的一阶微分形式，A1为系统矩阵，B11、B12为输入矩阵，且其中Rf1、Lf1和Cf1为储能主电路中的电阻、电感和电容的值。
步骤4：构造广义被控对象的优化问题，该优化问题可描述为：
上式中，p为满足要求的鲁棒控制器集合，ξ为权重系数。灵敏度函数为
S(s)＝[1+G(s)K(s)]-1，补灵敏度函数为：Tur(s)＝K(s)[1+G(s)K(s)]-1。
鲁棒控制器输出到输入的闭环传递函数Tyr(s)＝[1+G(s)K(s)]-1G(s)K(s)，基于对系统频率响应要求设计跟踪偏差加权函数We(s)为：
其中，M为s的频率响应的最大峰值，A为系统的最大稳态跟踪误差，为系统的最小带宽频率。
Wu(s)表示控制输出的加权函数，被用来控制输入信号的大小。
Wt(s)表示系统鲁棒性能的加权函数，应保障在高频时的增益足够大。
对上述优化问题求解可得鲁棒反馈控制器K(s)。
步骤5：准比例谐振控制器传递函数为：
其中，s为复频域算子，ω1为基波角频率，KP为比例参数，KR为谐振参数，为影响系统带宽的参数。
图1为多微网结构图。多微网由4个微电网组成，其中微电网1为三相电网且在整个多微网中起主导作用，微电网2、微电网3和微电网4为单相微电网且通过断路器与微电网1相连，整个多微网通过断路器L1与大电网相连。当L1断开时，多微网切换为孤岛运行模式，由微电网1中的储能装置为其余三个微电网提供电压和频率支撑。由于微电网1在多微网中地位重要，为了保证多微网在孤岛运行时的电压质量，需对微电网1中的储能装置配置性能可靠的控制策略。其中储能主电路参数:
容量30KVA，380V(LL)，50Hz，滤波电感Lf1＝1.3mH，电阻Rf1＝0.1mH，滤波电容Cf1＝50μF，开关频率fsw1＝10kHz。
图2是H∞控制结构图。图2中P表示被控对象，G为广义传递函数矩阵，K为鲁棒控制器。u表示控制输出信号，y表示量测输出信号，系统输入w＝[ig1 vref]T，系统输出z＝[ze zuzt]T。H∞控制是使系统输入w到输出z的闭环传递函数的H∞范数极小。下面为含有鲁棒控制的闭环系统输出传递函数:
图3是基于复合鲁棒控制的单三相混合多微网电压控制传递函数结构框图。其中G(s)为控制通道传递函数；GQPR(s)为准谐振控制器传递函数；K(s)为鲁棒反馈控制器传递函数，D(s)为扰动通道传递函数。
依照微电网的相关参数。鲁棒控制器K(s)表达式为：
准比例谐振控控制器GQPR(s)中：KP＝1，KR＝200，ω1＝314rad/s。因此：
该电压控制方法由鲁棒控制和准比例谐振控制两部分组成。由于鲁棒控制器的输出能定量的描述系统误差、控制输出和系统鲁棒性，因此具有较强的扰动抑制能力。准比例谐振控制器能够在指定的频率下得到无穷大的增益，极大的消除静态跟踪误差。采用两种控制方法不但可以保持系统稳定，减小乃至消除输出误差，而且在应对大扰动时也能表现出较强的鲁棒性。
图4是多微网中微电源输出功率突变时的实验波形图。图中多微网为离网运行状态，即微电网2、3和4与微电网1连接且微电网1为其他三个电网提供电压。图4(a)为微电网1中的负载电压波形，图4(b)为微电网1中负载电流波形。在t＝0.3s时，微电网1中光伏电源输出功率由10kW突然增大到30kW，从图4(a)可以看出，电压出现了小幅度的上升，且经过了一个波峰之后多微网电压就恢复了稳定。在t＝0.4s时，多微网中负荷突然增大，从图4(a)能够看出，0.4s时电压出现了小幅下降，经过约一个波峰之后电压恢复到稳定状态。由此可以看出本发明所提出的控制策略在应对电源输出功率波动和负荷突变时，仍然能够使负载电压的电能质量保持在良好的水平，且使负载电压即使遭受冲击也能迅速恢复到正常值，表现出了良好的鲁棒性。

Claims (6)

1.基于复合鲁棒控制的单三相混合多微网电压控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：建立基于复合鲁棒控制的电压控制数学模型；
步骤2：根据:控制标准问题，设计鲁棒控制器的闭环系统输出传递函数；
步骤3：建立状态空间方程、灵敏度函数，构造满足条件的加权函数；
步骤4：构造广义被控对象的优化题，求解鲁棒反馈控制器；
步骤5：设计准比例谐振控制器。
2.根据权利要求1所述基于复合鲁棒控制的单三相混合多微网电压控制方法，其特征在于：所述步骤1中，建立基于复合鲁棒控制的电压控制数学模型，其传递函数为：
其中，G(s)为控制通道传递函数；GQPR(s)为准谐振控制器传递函数；K(s)为鲁棒反馈控制器传递函数；[K(s)+GQPR(s)]G(s)组成主控制通道，其为闭环控制。
3.根据权利要求1所述基于复合鲁棒控制的单三相混合多微网电压控制方法，其特征在于：所述步骤2中，根据H∞控制标准问题，设计鲁棒控制器的闭环系统输出传递函数：
根据H∞控制标准问题，系统输入w＝[ig1 vref]T，其中ig1为电网电流，vref为参考电压；系统输出z＝[ze zu zt]T，其中ze、zu和zt表示误差输出、控制输出和系统鲁棒性能的系统输出量，含有鲁棒控制器的闭环系统输出传递函数矩阵形式可表示为：
u＝Ky
其中，u表示控制输出信号，y表示量测输出信号，G为广义传递函数矩阵，K为待设计的鲁棒控制器。
4.根据权利要求1所述基于复合鲁棒控制的单三相混合多微网电压控制方法，其特征在于：所述步骤3中，建立状态空间方程、灵敏度函数，构造合适的加权函数：
针对广义被控系统选择电感电流if1和滤波电容电压vc作为状态变量x＝[if1 vc]T，同时，w＝[ig1 vref]T，可得到如下状态方程：
在状态方程中，为状态变量的一阶微分形式，A1为系统矩阵，B11、B12为输入矩阵，且其中Rf1、Lf1和Cf1为储能主电路中的电阻、电感和电容的值。
5.根据权利要求1所述基于复合鲁棒控制的单三相混合多微网电压控制方法，其特征在于：所述步骤4中，构造广义被控对象的优化问题，该优化问题可描述为：
上式中，p为满足要求的鲁棒控制器集合，ξ为权重系数；灵敏度函数为S(s)＝[1+G(s)K(s)]-1，补灵敏度函数为：Tur(s)＝K(s)[1+G(s)K(s)]-1，鲁棒控制器输出到输入的闭环传递函数Tyr(s)＝[1+G(s)K(s)]-1G(s)K(s)，基于对系统频率响应要求设计跟踪偏差加权函数We(s)为：
其中，M为s的频率响应的最大峰值，A为系统的最大稳态跟踪误差，为系统的最小带宽频率；
Wu(s)表示控制输出的加权函数，被用来控制输入信号的大小；
Wt(s)表示系统鲁棒性能的加权函数，应保障在高频时的增益足够大；
对上述优化问题求解可得鲁棒反馈控制器K(s)。
6.根据权利要求1所述基于复合鲁棒控制的单三相混合多微网电压控制方法，其特征在于：所述步骤5中，设计准比例谐振控制器，即：
准比例谐振控制器传递函数为：
其中，s为复频域算子，ω1为基波角频率，KP为比例参数，KR为谐振参数，为影响系统带宽的参数。
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