CN109066727A - 基于重复控制与状态反馈的电力弹簧电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于重复控制与状态反馈的电力弹簧电压控制方法，其中，电力弹簧系统为第二代单相电力弹簧系统，包含一个双向直流电源v_dc、一个单相电压源型逆变器模块、一个LC低通滤波器；旁路开关S控制电力弹簧的投切；电力弹簧通过滤波电容C与非关键负载串联再与关键负载并联后经线路阻抗Z₁与电网v_G相连构成电力弹簧的实际应用系统。本发明提出的重复控制与状态反馈的电力弹簧电压控制方法，一方面利用状态反馈方法重新配置系统的主导极点提高系统的响应速度，另一方面居于外层的重复控制器提高系统关键负载的稳态电压波形。本发明实用价值高、易于推广，可以有效维持关键负载电压的稳定，保证电能质量。

Description

基于重复控制与状态反馈的电力弹簧电压控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子在电力系统中的应用领域，尤其涉及一种基于重复控制与状态反馈的电力弹簧电压控制方法。

背景技术

当前，分布式发电系统已经成为智能电网一个不可或缺的部分。以太阳能和风能为代表的分布式能源具有清洁、无污染的特点，但是受环境因素的影响，其输出功率具有波动性以及不确定性。当此类电源大量接入配电网时，会引起配电系统的电能质量问题，最典型的就是电压波动问题。

电力弹簧装置(electric spring，简称ES)，是一种应用于电力系统中的电力电子装置。ES颠覆了电力系统中用电需求决定发电量的传统思路，旨在实现用电量可随着发电量的变化而变化，能有效缓解因太阳能、风能等新能源发电的间歇性和不稳定性而引起的PCC点电压不稳的问题。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于重复控制与状态反馈的电力弹簧电压控制方法，能有效解决电压波动问题。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于重复控制与状态反馈的电力弹簧电压控制方法，包含δ控制、状态反馈及重复控制；δ控制通过检测电网电压信息计算公共连接点给定正弦参考电压信号；状态反馈通过检测状态变量的实时信息，利用极点配置重新配置系统主导极点，增加阻尼系数，提升系统暂态响应速度；重复控制通过实时检测关键负载电压与δ控制的给定参考信息做比较，不断修正控制量，提高公共连接点电压波形质量。

进一步地，包括步骤：

(1)采集电网电压信号v_G，通过δ控制计算公共连接点参考电压信号v_{s_ref}；

(2)采集公共连接点电压信号v_s与参考电压信号v_{s_ref}作差得到误差信号e，经重复控制器以及补偿器得到控制信号u，将参考电压信号v_{s_ref}加到控制信号u得到重复控制器的输出u_r；

(3)采集系统状态变量电网侧电流i、公共连接点电压信号vs和逆变器交流侧输出电流i_L的实时信息，通过状态反馈矩阵重新配置系统极点，得到逆变器控制信号v_i，再经限幅作为SPWM调制波v_{i_ref}；

(4)将SPWM调制波v_{i_ref}与三角载波比较，得到逆变器模块的第一至第四开关管的驱动信号，控制逆变器模块的交流输出端输出电压的基波分量与电力弹簧电压相量v_ES相位相同的交流电压。

所述步骤(1)，采集电网电压信号，依托于电路参数和控制目标，通过相量图计算公共连接点的参考电压信号。

所述步骤(3)，采集系统状态变量i、v_s和i_L的实时信息，通过配置状态反馈矩阵，重新配置系统极点，将三阶系统降阶为二阶系统，同时增加阻尼系数。

一种电力弹簧系统，包含双向直流电源v_dc、单相电压源型逆变器模块、LC低通滤波器；双向直流电源v_dc连接于单相电压源型逆变器模块的直流端，LC低通滤波器连接于单相电压源型逆变器模块的交流端。

进一步地，所述电力弹簧通过滤波电容C与非关键负载Z_NC串联，再与关键负载Z_C并联，后经线路阻抗Z₁与电网相连，构成电力弹簧的典型应用系统。由旁路开关S控制电力弹簧的投切。

进一步地，单相电压源型逆变器模块的交流侧一端连接LC低通滤波器中电感L的一端；电感L的另一端与电容C的一端相连，同时与关键负载Z_C的一端相连；电容C的另一端与非关键负载Z_NC的一端相连，同时与单相电压源型逆变器模块的交流侧的另一输出端相连；非关键负载Z_NC的另一端接地；电网与线路阻抗Z₁串联后连接到关键负载的一端，电网另一端接地。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下优点：

(1)可以保证关键负载电压的稳定；

重复控制是基于内模原理所提出的，即参考输入信号的模型被包含在稳定的闭环系统中，则被控输出能够无稳态误差地跟踪参考信号。

(2)系统具备更好的动态性能；

针对传统的重复控制存在动态响应慢的问题，通过状态反馈矩阵重新配置系统的主导极点，改善系统的结构，提升系统的响应速率。

(3)应用系统所需储能单元更少；

传统的储能装置在遇到大幅度的功率波动时，其所需要的储能单元也必须相应增大，进而会使得体积和成本增加；而本系统所用的电力弹簧装置所采用的电压控制能瞬时转移功率的波动，从控制的角度提出了一种解决方案，因此所需的储能电池容量相对较小。

(4)实用性高、应用前景广泛；

本发明重点解决新能源并网所带来的电压和功率波动问题，同时提高了系统的动态性能，可大大促进新能源发电的推广应用，且系统简单可靠，有很高的实用价值和应用前景。

附图说明

图1是本发明的电力弹簧系统结构图；

图2是本发明的电力弹簧系统控制框图；

图3是电网电压不同情形下的仿真波形对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的基于重复控制与状态反馈的电力弹簧电压控制方法，包含三个组成部分：δ控制、状态反馈以及重复控制；δ控制通过检测电网电压信息计算出公共连接点(Point of Common Coupling，PCC)的给定正弦参考电压信号；状态反馈通过检测状态变量的实时信息，利用极点配置的手段重新配置系统的主导极点增加系统的阻尼来提高系统的相应速率；重复控制通过检测实时的关键负载电压v_S与δ控制的给定参考信息做比较，提升PCC的稳态电压波形。

如图1所示，电力弹簧的典型应用系统包含传统发电输出电压源v_G、线路电阻R₁、线路电感L₁、关键负载Z_C、非关键负载Z_NC、一个单相电力弹簧系统。

单相电力弹簧系统为第二代单相电力弹簧系统，包含双向直流电源v_dc、一个单相电压源型逆变器模块、一个LC低通滤波器；旁路开关S控制电力弹簧的投切。电力弹簧通过滤波电容C与非关键负载Z_NC串联再与关键负载Z_C并联后经线路阻抗Z₁与电网v_G相连构成电力弹簧的典型应用系统。

逆变器模块的交流侧一端连接LC低通滤波器中L的一端；L的另一端不仅与电容C的一端相连，还与关键负载Z_C的一端相连；电容C的另一端除了与非关键负载Z_NC的一端相连，还与逆变器模块的交流侧的另一输出端相连；非关键负载Z_NC的另一端接地；传统发电输出电压源v_G与线路电阻R₁和线路电感L₁串联后连接到关键负载的一端，v_G的另一端接地。单相电压源型逆变器模块的直流侧输入直流电，逆变器模块的直流侧电压也可由蓄电池获得，该电压应大于156V。

为了分析方便，仿真时将关键负载和非关键负载等效为一个纯电阻。其中，逆变电路的直流侧电压为200V；LC滤波参数分别为2.5mH和26μF；关键负载Z_C选取纯电阻1600Ω，非关键负载50Ω的纯电阻Z_NC代替，输电线及线路损耗用1.64Ω和30.4mH的串联组合等效，电网电压频率为50Hz，取逆变器中开关频率为10kHz。

如图2所示，基于重复控制与状态反馈的电力弹簧电压控制方法，一个控制周期包括如下步骤：

(1)采集电网的电压信号v_G，通过δ控制计算PCC电压的参考信号v_{s_ref}；

采用δ控制计算PCC电压的参考信号，采集电网电压的有效值信息，依托于电路参数和控制目标，通过相量图的方式计算出PCC电压给定值。

(2)采集PCC的电压信号v_s与δ控制计算参考信号v_{s_ref}作差得到误差信号e，经重复控制器内模以及补偿器得到控制信号u，将电压参考信号v_{s_ref}加到控制信号u得到重复控制器的输出u_r；

(3)采集系统状态变量i、vs和i_L的实时信息，通过状态反馈矩阵K，重新配置系统的极点，最终得到逆变器控制信号；v_i再经限幅后作为SPWM的调制波v_{i_ref}；

采用状态反馈提升系统的响应速率。采集系统状态变量i、v_s和i_L的实时信息，通过配置状态反馈矩阵，重新配置系统的极点，将三阶系统降阶为二阶系统的同时，增加其阻尼系数，提升系统的暂态响应速度。

(4)将v_{i_ref}与三角载波比较，得到单相电压源型逆变器模块的第一至第四开关管的驱动信号，控制逆变器模块的交流输出端输出电压的基波分量与电力弹簧电压相量v_ES相位相同的交流电压。逆变器的输入电压是由单相电网电压经过PWM整流器后接电解电容而获得。

采用重复控制提升PCC波形质量，检测PCC电压的实际值v_S与δ控制计算PCC电压的参考信号做比较通过重复控制器，不断修正控制量u_r，以提高最终的PCC实际电压波形质量。在重复控制提升PCC电压波形质量的同时利用状态反馈的方法弥补了重复控制动态响应较慢的缺陷，在状态反馈提升响应速率的同时利用重复控制的方法弥补了状态反馈波形质量较差的缺陷。

如图3所示，PCC电压给定在110V且电网电压不同给定情形下的仿真波形对比图，电网电压分别为108V、115V和123V，四个通道依次是电网电压v_G、PCC电压v_s、ES电压v_ES、非关键负载电压v_NC的仿真波形，可以看出关键负载处的电压有效值都稳定在110V。

本发明的基于重复控制与状态反馈的电力弹簧电压控制方法，一方面利用状态反馈方法重新配置系统的主导极点提高系统的响应速度，另一方面居于外层的重复控制器提高系统PCC的稳态电压波形。

Claims (8)

1.一种基于重复控制与状态反馈的电力弹簧电压控制方法，其特征在于，包含δ控制、状态反馈及重复控制；δ控制通过检测电网电压信息计算公共连接点给定正弦参考电压信号；状态反馈通过检测状态变量的实时信息，利用极点配置重新配置系统主导极点，增加阻尼系数，提升系统暂态响应速度；重复控制通过实时检测关键负载电压与δ控制的给定参考信息做比较，不断修正控制量，提高公共连接点电压波形质量。

2.根据权利要求1所述的基于重复控制与状态反馈的电力弹簧电压控制方法，其特征在于，包括步骤：

(1)采集电网电压信号v_G，通过δ控制计算公共连接点参考电压信号v_{s_ref}；

(2)采集公共连接点电压信号v_s与参考电压信号v_{s_ref}作差得到误差信号e，经重复控制器以及补偿器得到控制信号u，将参考电压信号v_{s_ref}加到控制信号u得到重复控制器的输出u_r；

(3)采集系统状态变量电网侧电流i、公共连接点电压信号vs和逆变器交流侧输出电流i_L的实时信息，通过状态反馈矩阵重新配置系统极点，得到逆变器控制信号v_i，再经限幅作为SPWM调制波v_{i_ref}；

(4)将SPWM调制波v_{i_ref}与三角载波比较，得到逆变器模块的第一至第四开关管的驱动信号，控制逆变器模块的交流输出端输出电压的基波分量与电力弹簧电压相量v_ES相位相同的交流电压。

3.根据权利要求2所述的基于重复控制与状态反馈的电力弹簧电压控制方法，其特征在于，所述步骤(1)，采集电网电压信号，依托于电路参数和控制目标，通过相量图计算公共连接点的参考电压信号。

4.根据权利要求2所述的基于重复控制与状态反馈的电力弹簧电压控制方法，其特征在于，所述步骤(3)，采集系统状态变量i、v_s和i_L的实时信息，通过配置状态反馈矩阵，重新配置系统极点，将三阶系统降阶为二阶系统，同时增加阻尼系数。

5.一种电力弹簧系统，其特征在于，包含双向直流电源v_dc、单相电压源型逆变器模块、LC低通滤波器；双向直流电源v_dc连接于单相电压源型逆变器模块的直流端，LC低通滤波器连接于单相电压源型逆变器模块的交流端。

6.根据权利要求5所述的电力弹簧系统，其特征在于，所述电力弹簧通过滤波电容C与非关键负载Z_NC串联，再与关键负载Z_C并联，后经线路阻抗Z₁与电网相连，构成电力弹簧的典型应用系统。

7.根据权利要求5所述的电力弹簧系统，其特征在于，由旁路开关S控制电力弹簧的投切。

8.根据权利要求6所述的电力弹簧系统，其特征在于，单相电压源型逆变器模块的交流侧一端连接LC低通滤波器中电感L的一端；电感L的另一端与电容C的一端相连，同时与关键负载Z_C的一端相连；电容C的另一端与非关键负载Z_NC的一端相连，同时与单相电压源型逆变器模块的交流侧的另一输出端相连；非关键负载Z_NC的另一端接地；电网与线路阻抗Z₁串联后连接到关键负载的一端，电网另一端接地。