CN109193622A - 一种用于交流微电网电能质量治理装置的参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于交流微电网电能质量治理装置的参数设计方法，包括以下步骤：步骤S01：根据电能治理装置的各配置部分相关参数模拟出所要控制的二阶系统电路分析模型；步骤S02：将二阶系统电路分析模型进行转化设计为包含内模控制设计的电路分析模型；步骤S03：将包含内模控制设计的电路分析模型转化为包含基频谐振项和双自由度控制器设计的最终电路分析模型；步骤S04：对最终电路分析模型进行转化和计算，进而得出电能治理装置的各配置部分相关参数。与现有技术相比，本发明使电能治理装置能够迅速响应补偿电网电压跌落与不平衡暂降问题，稳态时零跟踪误差，并可控制测量反馈量的直流偏移问题。

Description

一种用于交流微电网电能质量治理装置的参数设计方法

技术领域

本发明涉及一种参数设计方法，尤其是涉及一种用于交流微电网电能质量治理装置的参数设计方法。

背景技术

近些年来，传统电网的结构形式发生了一些转变，随着电力市场自由化程度的提高以及分布式发电技术的成熟，各种新能源如光伏、风能等构成多个微电网结构对传统电网进行补充。但是，微电网在运行过程中仍存在多种问题，其结构复杂，惯性小，容量小，负载的微小波动都可能造成交流馈线的电压质量问题，需要加装电能质量治理装置对负载电压进行稳定。

交流微网电能质量治理装置关键技术包括电压检测、补偿、控制策略，要保证其具有快速的动态响应并且能够保证输出的零稳态误差，控制器的设计显的尤为重要。PI控制是目前应用最为广泛的方法之一。PI控制设计简单、技术成熟，基本可保证零稳态误差跟踪基频电压，但是由于电网电压负序会产生两倍基频的正弦分量导致该控制器不能完全补偿不平衡电压暂降问题。已有比例谐振控制器(PR)作为微网系统不平衡电压暂降问题的解决方案。该控制器具有非常好的稳态性能，在特定频率下具有无限大的增益，能够实现零稳态误差。然而，在PR控制器中比例增益有限且频率为0时的增益不为0，这会导致瞬态响应过慢，影响装置的快速性。此外，还有研究人员采用近年来流行的智能算法如蚁群算法，无差拍控制，H_∞控制，以及模糊控制等策略，这些算法都各有优劣，结构较为复杂，无法快速有效的解决电能质量问题并兼顾其快速响应与零稳态误差特性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结合内模控制与双自由度控制组合的电能治理装置控制策略，该控制器基于内模原理在反馈环路加入了外部输入信号和扰动信号的数学模型，且设计为双自由度控制，包含了两个嵌套的控制器配置，其中一个包括基频谐振项，保证对基频电压的零误差跟踪，再通过双自由度控制器对闭环传递函数的所有极点进行确定，并能够减少测量反馈的个数，最后通过求解方程组求得控制参数。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于交流微电网电能质量治理装置的参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S01：根据电能治理装置的各配置部分相关参数模拟出所要控制的二阶系统电路分析模型；

步骤S02：将二阶系统电路分析模型进行转化设计为包含内模控制设计的电路分析模型；

步骤S03：将包含内模控制设计的电路分析模型转化为包含基频谐振项和双自由度控制器设计的最终电路分析模型；

步骤S04：对最终电路分析模型进行转化和计算，进而得出电能治理装置的各配置部分相关参数。

优选地，所述的电能治理装置由整流部分、逆变部分、变压器和滤波器部分组成。

优选地，所述的电能治理装置的各配置部分相关参数包括DVR的输出电压u_c、VSI的输出电压的u、敏感负载的电流i_S、滤波电感电流i_L和滤波电容的电流i_C。

优选地，所述的步骤S01，包括以下分步骤：

步骤S011：获取电能治理设备的状态方程，所述电能治理设备的状态方程为：

式中，R、L和c为滤波器上的电阻、电感和电容，u_c为DVR的输出电压，u为VSI的输出电压，i_S为敏感负载的电流，i_L为滤波电感电流，i_C为滤波电容的电流；

步骤S012：将状态方程推导转化为S域的传递函数G(s)，所述S域的传递函数G(s)为：

式中，u_C(s)为电能治理设备二阶系统的输出，u(s)为电能治理设备二阶系统的输入，ω_n为电能治理设备二阶系统的固有频率且ξ为电能治理设备二阶系统的的阻尼比且s为复变量；

步骤S013：将S域传递函数添加采样周期后转化为二阶系统电路分析模型，所述二阶系统电路分析模型的S域的传递函数G(s)为：

式中e^-τs表示为传递函数有时间常数τ的延迟。

优选地，所述的步骤S02中的包含内模控制设计的电路分析模型的传递函数关系为：

式中，i_s(s)为干扰变量，G_px(s)代表第x个实际被控过程对象，且x∈n，Q(s)代表内模控制器，G_m(s)为含被控过程的数学模型。

优选地，所述的步骤S03中的包含基频谐振项和双自由度控制器设计的最终电路分析模型的传递函数G(s)为：

式中，为包含基频谐振项和双自由度控制器设计的最终电路分析模型的输入，G_p(s)为被控系统。

优选地，所述的步骤S04包括以下分步骤：

步骤S041：获取最终电路分析模型的闭环传递函数的特征方程，所述的最终电路分析模型的闭环传递函数的特征方程为：

式中，环节定义函数G_q(s)＝Q(s)+G_m(s)，t₁，t₂，t₃，t₄和t₅为各配置部分相关参数；

步骤S042：根据控制器设计原理设计计算函数并得出控制参数与各配置部分相关参数的函数关系结果，所述的计算函数，包括：

式中，a、b、c和d为Q(s)，G_m(s)的控制参数；

步骤S043：构建矩阵方程并对矩阵方程进行求解得到各配置部分相关参数，所述的矩阵方程为：

Ax＝B

其中：

x＝[t₀ t₁ t₂ t₃ t₄]^T

式中，s_i代表特征方程为零的五个极点位置，即s＝s_i,i＝1,2,3,4,5。

优选地，所述的函数关系结果，包括：

a＝t₂-d

c＝t₃

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)整个二阶系统分析模型中采用了内模控制设计，使得整个反馈控制器设计过程中，若要求其在调节过程稳定的条件下保证控制器对信号指令良好的跟踪性以及对扰动的抑制能力。

(2)对于整个二阶系统分析模型采用双自由度控制设计，使电能治理装置能够以非常快速的瞬态响应补偿电网电压跌落与不平衡暂降问题，在稳态时具有零跟踪误差，并且能够控制测量反馈量的直流偏移问题。

(3)引入了采样周期的考虑，进一步提升了控制系统的精确性，便于整个二阶系统在数字平台上的实现。

附图说明

图1为本发明的具体流程示意图；

图2为本发明交流微电网拓扑结构；

图3为本发明装置典型配置结构图；

图4为本发明二阶系统框图；

图5为本发明内模控制结构框图；

图6为本发明内模控制等效框图；

图7为本发明双自由度控制系统框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示为本发明一种用于交流微电网电能质量治理装置的参数设计方法，包括以下步骤：步骤S01：根据电能治理装置的各配置部分相关参数模拟出所要控制的二阶系统电路分析模型；步骤S02：将二阶系统电路分析模型进行转化设计为包含内模控制设计的电路分析模型；步骤S03：将包含内模控制设计的电路分析模型转化为包含基频谐振项和双自由度控制器设计的最终电路分析模型；步骤S04：对最终电路分析模型进行转化和计算，进而得出电能治理装置的各配置部分相关参数，如下为具体步骤分析：

1、首先对交流微网电能治理装置建模分析；由于微网中分布式能源的多样性导致微网结构复杂，对微网系统电能质量的控制要求相对更高，如图2所示，电能质量治理装置连接在交流馈线与敏感负荷之间，保证敏感负荷的供电稳定性，通常，电能质量治理装置由四部分组成，整流部分，逆变部分，变压器以及滤波器部分，其典型配置如附图3所示，R、L和c为滤波器上的电阻、电感和电容，u_c为DVR的输出电压，u为VSI的输出电压，i_S为敏感负载的电流，i_L为滤波电感电流，i_C为滤波电容的电流；

当开关频率足够高时，忽略VSI的非线性，并且不考虑脉宽调制延迟的情况下，电能治理设备的状态方程为：

由以上两式可推导出系统的传递函数G(s)，并将其通过拉普拉斯变换变换到s域：

上式传递函数对应的二阶系统结构框图如图4所示，其中，u_C(s)为电能治理设备二阶系统的输出，u(s)为电能治理设备二阶系统的输入，ω_n为电能治理设备二阶系统的固有频率且ξ为电能治理设备二阶系统的的阻尼比且s为复变量；最后，由于整个控制系统将在数字平台实现，为了精确设计控制系统，需要考虑延迟带来的影响，由于控制计算需要一个采样周期，传递函数公式(3)进一步重写为：

式中e^-τs表示为传递函数有时间常数τ的延迟。

2、内模控制原理，反馈控制器设计过程中，若要求其在调节过程稳定的条件下保证控制器对信号指令良好的跟踪性以及对扰动的抑制能力，需要在反馈回路中加入一个包含外部输入信号指令和扰动信号数学模型结构，该数学模型就是所谓的“内模”(internalmodel)，根据内部模型原理，当PI或者PR控制器直接应用于二阶模型时，控制器所含控制参数不足以保证系统在跟随性和干扰抑制性两个方面达到要求，所以要针对模型设计更多的控制参数保证装置在多目标条件下的稳定运行。

首先，根据图4的二阶系统框图，画出内模控制结构框图如图5所示，其中，G_px(s)代表第x个实际被控过程对象，且x∈n，Q(s)代表内模控制器，G_m(s)为含被控过程的数学模型，图5经过等效变换后可化为图6所示的常规反馈控制结构，由该结构可得系统的输入输出之间的关系为：

其中，i_s(s)为干扰变量，由于通过敏感负载的电流可以测量，所以通过前馈动作对外界干扰进行补偿，如果模型准确且没有外界干扰，则模型的输出与过程输出相等，此时反馈信号为0，即对于开环稳定的系统，该反馈克服了模型的不确定性与未知干扰的输入。

但是装置无差跟踪是控制器设计的主要任务之一，为了实现基频正弦电压的零跟踪误差，需要在反馈控制中加入具有一定通带效应的谐振控制器，根据PR控制的原理，如果控制器中含有基本谐振项ω₁为电网电压的基频，该谐振传递函数可衰减基波分量周围的低频与高频部分，并且能够阻止直流分量，但是，同时保证无干扰与无静差跟踪性能需要更多的控制参数，此时单纯的一自由度的控制方案已经无法满足二阶系统控制要求，需要设计更多的控制参数来实现双自由度的控制来同时保证两个目标的统一，按照该控制思想调整控制器设计，结构图如图7所示，根据图7的控制系统写出其闭环系统传递函数：

其中，为包含基频谐振项和双自由度控制器设计的最终电路分析模型的输入，G_p(s)为被控系统，具体公式为式(4)；

令环节定义函数G_q(s)＝Q(s)+G_m(s)，则闭环传递函数的特征方程H(s)可表示为：

H(s)＝1+G_q(s)G_p(s)＝0 (8)

为保证基频电压的准确跟踪，Q(s)中需含有基本谐振项故环节定义函数G_q(s)需定义为：

首先G_q(s)存在两个极点位置用于定义谐振项，另外被控系统G_p(s)是二阶系统，所以在子环节定义函数Z(s)中应该包含4个设计参数才能满足需求，为了保证G_q(s)的因果性，需要在子环节定义函数D(s)中引入一个极点，因此，式(9)可被重新定义为：

结合式(4)和(8)，可重写闭环传递函数的特征方程：

方程中含有五个未知参数t₀，t₁，t₂，t₃，t₄对应步骤S01中的5个需要设计的控制器的设计参数，用于定义闭环系统的五个极点期望值，但是由于延迟在拉普拉斯域中为指数型，所以会含有一个无穷极点，由此，闭环传递函数中也会存在一个无穷极点位置。

通过预期的闭环系统的五个极点的期望点位置，可以构建矩阵并对矩阵求解得到控制器的设计参数。预期极点位置并不具有唯一性，由于传递函数的零极点配置过程无具体物理意义，可以由预期目标的幅频特性曲线反推系统的零极点位置，得到矩阵形式：

Ax＝B (12)

其中，A＝5*5阶矩阵，B＝5*1阶矩阵，其矩阵元素如下：

x＝[t₀ t₁ t₂ t₃ t₄]^T

其中b_i代表第i个B矩阵内的元素，s_i代表特征方程为零的五个极点位置，即s＝s_i,i＝1,2,3,4,5，可通过x＝A^-1B的形式求解参数，当解的重数为一时，矩阵A为方阵且满秩，此时闭环系统具有不同的极点位置；如果解为多重根的情况时，则需要添加方程导数项令其为0来求解参数，因此形成以下方程组，m为自然数：

H(s₁)＝0

...

H(s_i)＝0

...

通过求解方程组确定G_q(s)，但是由于Q(s)，G_m(s)需要独立定义，所以在保证Q(s)，G_m(s)因果性的基础上，分别定义两个控制器为：

根据控制器设计准则，控制设计过程中仅定义极点位置并不定义零点，所以Q(s)需要包含最少的零点位置，否则会对控制的效果造成负面影响，所以要求子环节定义函数M(s)多项式阶数最低，此处设计为一阶多项式，包含两个设计参数，对应的另外两个设计参数由子环节定义函数N(s)来定义：

将上式带入闭环系统传递函数并与式(10)进行系数匹配，最终可得到Q(s)，G_m(s)的控制参数：

a＝t₂-d

c＝t₃

另外，在实际设计过程中，对于延迟环节可由一阶Taylor近似代替进行计算，即：

e^-τs≈1-τs (19)

其中τ为时间常数；

最终通过以上替换公式代入并进一步计算，得出电能治理装置的各配置部分相关参数。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于交流微电网电能质量治理装置的参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S01：根据电能治理装置的各配置部分相关参数模拟出所要控制的二阶系统电路分析模型；

步骤S02：将二阶系统电路分析模型进行转化设计为包含内模控制设计的电路分析模型；

步骤S03：将包含内模控制设计的电路分析模型转化为包含基频谐振项和双自由度控制器设计的最终电路分析模型；

步骤S04：对最终电路分析模型进行转化和计算，进而得出电能治理装置的各配置部分相关参数。

2.根据权利要求1所述的一种参数设计方法，其特征在于，所述的电能治理装置由整流部分、逆变部分、变压器和滤波器部分组成。

3.根据权利要求1所述的一种参数设计方法，其特征在于，所述的电能治理装置的各配置部分相关参数包括DVR的输出电压u_c、VSI的输出电压的u、敏感负载的电流i_S、滤波电感电流i_L和滤波电容的电流i_C。

4.根据权利要求1所述的一种参数设计方法，其特征在于，所述的步骤S01，包括以下分步骤：

步骤S011：获取电能治理设备的状态方程，所述电能治理设备的状态方程为：

式中，R、L和c为滤波器上的电阻、电感和电容，u_c为DVR的输出电压，u为VSI的输出电压，i_S为敏感负载的电流，i_L为滤波电感电流，i_C为滤波电容的电流；

步骤S012：将状态方程推导转化为S域的传递函数G(s)，所述S域的传递函数G(s)为：

式中，u_C(s)为电能治理设备二阶系统的输出，u(s)为电能治理设备二阶系统的输入，ωn为电能治理设备二阶系统的固有频率且ξ为电能治理设备二阶系统的的阻尼比且s为复变量；

步骤S013：将S域传递函数添加采样周期后转化为二阶系统电路分析模型，所述二阶系统电路分析模型的S域的传递函数G(s)为：

式中e^-τs表示为传递函数有时间常数τ的延迟。

5.根据权利要求1所述的一种参数设计方法，其特征在于，所述的步骤S02中的包含内模控制设计的电路分析模型的传递函数关系为：

式中，i_s(s)为干扰变量，G_px(s)代表第x个实际被控过程对象，且x∈n，Q(s)代表内模控制器，G_m(s)为含被控过程的数学模型。

6.根据权利要求1所述的一种参数设计方法，其特征在于，所述的步骤S03中的包含基频谐振项和双自由度控制器设计的最终电路分析模型的传递函数G(s)为：

式中，为包含基频谐振项和双自由度控制器设计的最终电路分析模型的输入，G_p(s)为被控系统。

7.根据权利要求1所述的一种参数设计方法，其特征在于，所述的步骤S04包括以下分步骤：

步骤S041：获取最终电路分析模型的闭环传递函数的特征方程，所述的最终电路分析模型的闭环传递函数的特征方程为：

式中，环节定义函数G_q(s)＝Q(s)+G_m(s)，t₁，t₂，t₃，t₄和t₅为各配置部分相关参数；

步骤S042：根据控制器设计原理设计计算函数并得出控制参数与各配置部分相关参数的函数关系结果，所述的计算函数，包括：

式中，a、b、c和d为Q(s)，G_m(s)的控制参数；

步骤S043：构建矩阵方程并对矩阵方程进行求解得到各配置部分相关参数，所述的矩阵方程为：

Ax＝B

其中：

x＝[t₀ t₁ t₂ t₃ t₄]^T

式中，S_i代表特征方程为零的五个极点位置，即s＝s_i,i＝1,2,3,4,5。

8.根据权利要求7所述的一种参数设计方法，其特征在于，所述的函数关系结果，包括：

a＝t₂-d

c＝t₃