CN110165677B - 一种单相交流电力弹簧的电压平稳控制方法 - Google Patents

一种单相交流电力弹簧的电压平稳控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，包括以下步骤：S1、根据单相交流电力弹簧的电路结构，建立dq两相同步旋转坐标系下的动态数学模型；S2、由动态数学模型获取单相交流电力弹簧的状态变量、控制变量和平滑输出变量，以计算得到平滑输出变量的约束条件；S3、根据平滑输出变量的约束条件和动态数学模型，求取电力弹簧的微分平滑控制律。与现有技术相比，本发明提出的电压平稳控制方法具有动态响应快、鲁棒性强的优点，能确保在单相交流电力弹簧系统参数发生摄动时，关键负载电压依然能够保持平稳。

Description

一种单相交流电力弹簧的电压平稳控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统运行与控制领域，尤其是涉及一种单相交流电力弹簧的电压平稳控制方法。
背景技术
随着分布式发电技术以及微电网的技术不断发展，电力系统的结构趋向于小型化与区域化，并且电网中的负荷种类以及其对电压的要求也愈发复杂，传统的集中式电压调节装置和方法己无法满足有源配电网电压稳定控制的需求，针对以上问题，香港大学的许树源教授及其科研团队在与伦敦帝国理工大学的合作下，于2012年9月首次提出电力弹簧(Electric Spring，ES)的概念，其核心思想是将机械弹簧的胡克定律类比到电力系统中，从而实现缓冲可再生能源发电的波动，起到稳定电网主电压的作用。电力弹簧颠覆了用电负荷需求量决定发电量的传统电力系统运行模式，使得电网中非关键负载所消耗的电能可以随着可再生能源发电量的变化而变化，从而保证关键负载的电压稳定。
关于电力弹簧在有源配电网的研究中，重点是对电力弹簧的电压进行控制，目前的单相电力弹簧通常采用传统PI控制，参数设定依赖经验，控制器参数整定依赖于单相交流电力弹簧系统参数，当单相交流电力弹簧系统参数发生摄动时，容易造成PI控制器响应慢、动态调节效果不佳、鲁棒性变差。
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单相交流电力弹簧的电压平稳控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种单相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，包括以下步骤：
S1、根据单相交流电力弹簧的电路结构，建立dq两相同步旋转坐标系下的动态数学模型；
S2、由动态数学模型获取单相交流电力弹簧的状态变量、控制变量和平滑输出变量，以计算得到平滑输出变量的约束条件；
S3、根据平滑输出变量的约束条件和动态数学模型，求取电力弹簧的微分平滑控制律，根据微分平滑控制律对单相交流电力弹簧中滤波电容电压进行控制。
优选的，所述步骤S1中单相交流电力弹簧的电路结构，包括单相交流电压源、线路电阻、电力电子变换器、滤波电感、滤波电容、关键负载电阻和非关键负载电阻，所述的单相交流电压源的第一输出端、线路电阻、关键负载电阻和单相交流电压源的第二输出端依次连接，所述的电力电子变换器的第一输出端、滤波电感、滤波电容和电力电子变换器的第二输出端依次连接，所述滤波电容的一端连接到线路电阻与关键负载电阻之间，所述滤波电容的另一端通过非关键负载电阻连接到单相交流电压源的第二输出端与关键负载电阻之间，所述滤波电感和滤波电容共同构成LC滤波器，用于滤除所述电力电子变换器产生的谐波，并抑制谐振。
优选的，所述步骤S1中dq两相同步旋转坐标系下的动态数学模型为：
Figure BDA0002055269510000021
Figure BDA0002055269510000022
其中，Lf、Cf分别表示滤波电感、滤波电容，isinjd、isinjq分别表示电力电子变换器交流侧滤波电感电流的d轴分量、q轴分量，vsesd、vsesq分别表示电力电子变换器交流侧滤波电容电压的d轴分量、q轴分量，vsinjd、vsinjq分别表示电力电子变换器交流侧输出电压的d轴分量、q轴分量，isncd、isncq分别表示非关键负载电流的d轴分量、q轴分量，ω表示系统基波角频率，
Figure BDA0002055269510000023
表示微分算子。
优选的，所述步骤S2中单相交流电力弹簧的状态变量为：
Figure BDA0002055269510000024
控制变量为：
Figure BDA0002055269510000025
平滑输出变量为：
Figure BDA0002055269510000031
其中，ysd、ysq分别表示平滑输出变量y的d轴分量、q轴分量。
优选的，所述步骤S2中平滑输出变量的约束条件为：
Figure BDA0002055269510000032
Figure BDA0002055269510000033
其中，ysdref、ysqref分别表示yd、yq的参考量，
Figure BDA0002055269510000034
分别表示ysdref的一次微分量、二次微分量，
Figure BDA0002055269510000035
分别表示ysqref的一次微分量、二次微分量，
Figure BDA0002055269510000036
分别表示ysd的一次微分量、二次微分量，
Figure BDA0002055269510000037
分别表示ysq的一次微分量、二次微分量，k1、k2、k3表示系数，都为正值，∫表示积分算子。
优选的，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31、计算平滑输出变量的一次微分量；
S32、根据平滑输出变量的一次微分量和动态数学模型，计算非关键负载电流的d轴分量、q轴分量；
S33、对非关键负载电流的d轴分量、q轴分量进行微分计算；
S34、求取电力弹簧中电力电子变换器交流侧输出电压的d轴分量、q轴分量，结合控制变量进行计算，输出电力弹簧的微分平滑控制律结果。
优选的，所述步骤S3中平滑输出变量的一次微分量为：
Figure BDA0002055269510000038
优选的，所述步骤S3中非关键负载电流的d轴分量、q轴分量为：
Figure BDA0002055269510000039
优选的，所述步骤S3中非关键负载电流的d轴分量、q轴分量的微分计算结果为：
Figure BDA0002055269510000041
优选的，所述步骤S3中电力弹簧的微分平滑控制律为：
Figure BDA0002055269510000042
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明基于单相交流电力弹簧的电路结构，通过建立dq两相同步旋转坐标系下的动态数学模型，并进行微分平滑控制设计，能完全描述系统的动态行为，从而加快微分平滑控制的响应速度、提高微分平滑控制的动态响应性能。
二、本发明采用微分计算对电力弹簧进行平滑输出约束和控制变量求解，能直接补偿系统非线性分量，实现系统的非线性动态可逆，当单相交流电力弹簧系统参数发生摄动时，关键负载电压依然能够保持平稳，以在较宽的工作范围内保证控制的高性能。
附图说明
图1为本发明的单相交流电力弹簧电路结构示意图；
图2为本发明的微分平滑电压平稳控制方法流程图；
图3a为传统PI控制方法下电力电子变换器交流侧滤波电容电压的d轴分量；
图3b为传统PI控制方法下电力电子变换器交流侧滤波电容电压的q轴分量；
图4a为本发明控制方法下电力电子变换器交流侧滤波电容电压的d轴分量；
图4b为本发明控制方法下电力电子变换器交流侧滤波电容电压的q轴分量。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
图1所示为单相交流电力弹簧电路结构示意图，包括单相交流电压源vg、线路电阻Rl、电力电子变换器IG、滤波电感Lf、滤波电容Cf、关键负载电阻Rc和非关键负载电阻Rnc，所述的单相交流电压源vg的第一输出端、线路电阻Rl、关键负载电阻Rc和单相交流电压源vg的第二输出端依次连接，所述的电力电子变换器IG的第一输出端、滤波电感Lf、滤波电容Cf和电力电子变换器IG的第二输出端依次连接，所述滤波电容Cf的一端连接到线路电阻Rl与关键负载电阻Rc之间，所述滤波电容Cf的另一端通过非关键负载电阻Rnc连接到单相交流电压源vg的第二输出端与关键负载电阻Rc之间。
图2所示为基于图1中单相交流电力弹簧电路结构的电压平稳控制方法，包括以下步骤：
S1、根据单相交流电力弹簧的电路结构，建立dq两相同步旋转坐标系下的动态数学模型；
S2、由动态数学模型获取单相交流电力弹簧的状态变量、控制变量和平滑输出变量，以计算得到平滑输出变量的约束条件；
S3、根据平滑输出变量的约束条件和动态数学模型，求取电力弹簧的微分平滑控制律，根据微分平滑控制律对单相交流电力弹簧中滤波电容电压进行控制。
本实施例应用本发明电压平稳控制方法的具体过程为：
根据图1中的单相交流电力弹簧电路结构，由KVL和KCL定理可得dq两相同步旋转坐标系下的动态数学模型：
Figure BDA0002055269510000051
Figure BDA0002055269510000052
其中，Lf、Cf分别表示滤波电感、滤波电容，isinjd、isinjq分别表示电力电子变换器交流侧滤波电感电流的d轴分量、q轴分量，vsesd、vsesq分别表示电力电子变换器交流侧滤波电容电压的d轴分量、q轴分量，vsinjd、vsinjq分别表示电力电子变换器交流侧输出电压的d轴分量、q轴分量，isncd、isncq分别表示非关键负载电流的d轴分量、q轴分量，ω表示系统基波角频率，
Figure BDA0002055269510000053
表示微分算子。
以关键负载电压稳定为控制目标，为使控制获得更好的动态响应性能，定义单相交流电力弹簧滤波电容Cf中的能量为系统平滑输出变量y为：
Figure BDA0002055269510000061
其中，ysd、ysq分别表示平滑输出变量y的d轴分量、q轴分量。
定义状态变量x为：
Figure BDA0002055269510000062
定义控制变量u为：
Figure BDA0002055269510000063
使系统平滑输出变量y满足：
Figure BDA0002055269510000064
Figure BDA0002055269510000065
其中，ysdref、ysqref分别表示yd、yq的参考量，
Figure BDA0002055269510000066
分别表示ysdref的一次微分量、二次微分量，
Figure BDA0002055269510000067
分别表示ysqref的一次微分量、二次微分量，
Figure BDA0002055269510000068
分别表示ysd的一次微分量、二次微分量，
Figure BDA0002055269510000069
分别表示ysq的一次微分量、二次微分量，k1、k2、k3表示系数，都为正值，∫表示积分算子。
对式(3)等号两边进行求导，可得系统平滑输出变量y的一次微分量
Figure BDA00020552695100000610
为：
Figure BDA00020552695100000611
将式(8)代入式(2)并整理，可得：
Figure BDA00020552695100000612
将式(9)代入式(1)并整理，可得：
Figure BDA0002055269510000071
对式(10)等号两边进行求导可得：
Figure BDA0002055269510000072
将式(10)和式(11)代入式(5)并整理，求得：
Figure BDA0002055269510000073
由式(4)和式(12)可知，系统状态变量x和系统控制变量u可表示为系统平滑输出变量y及其有限阶导数的函数。根据微分平滑控制理论可知，该单相交流电力弹簧系统为非线性微分平滑系统，具有平滑特性，故式(12)即为系统微分平滑控制律。
为了验证本发明的单相交流电力弹簧的微分平滑电压平稳控制方法的正确性和有效性，基于Matlab/Simulink平台对实施例进行仿真研究。
在Matlab/Simulink平台上搭建单相交流电力弹簧系统仿真模型，仿真系统参数如表1所示：
表1单相交流电力弹簧系统参数
Figure BDA0002055269510000074
Figure BDA0002055269510000081
在dq坐标下，电力电子变换器交流侧滤波电容Cf两端电压d轴、q轴参考量分别为54V、59V。在t＝0.02s时，单相交流电力弹簧系统滤波电感Lf值上升50％，为9.9mH，滤波电容Cf值上升100％，为2uF。
图3a、图3b分别为传统PI控制方法下电力电子变换器IG交流侧滤波电容Cf两端电压的d轴、q轴分量波形图，图4a、图4b分别为本发明控制方法下电力电子变换器IG交流侧滤波电容Cf两端电压的d轴、q轴分量波形图。由图3a、图3b、图4a和图4b可以看出，在滤波电感Lf和滤波电容Cf参数摄动的综合影响下，采用传统PI控制，单相交流电力弹簧系统电力电子变换器IG交流侧滤波电容Cf两端电压d轴、q轴分量从t＝0.02s时起波动幅值增大，使单相交流电力弹簧系统直流侧储能电池进行频繁充放电；采用本发明的微分平滑控制，单相交流电力弹簧系统电力电子变换器IG交流侧滤波电容Cf两端电压d轴、q轴分量经快速、小幅波动后恢复至参考值，且稳定后纹波幅值小，避免了单相交流电力弹簧系统直流侧储能电池频繁充放电，延长了其使用寿命，保证了单相交流电力弹簧系统的安全、稳定运行。仿真结果表明单相交流电力弹簧的微分平滑电压平稳控制方法具有动态响应快、鲁棒性强的特点。

Claims (5)

1.一种单相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据单相交流电力弹簧的电路结构，建立dq两相同步旋转坐标系下的动态数学模型；
S2、由动态数学模型获取单相交流电力弹簧的状态变量、控制变量和平滑输出变量，以计算得到平滑输出变量的约束条件；
S3、根据平滑输出变量的约束条件和动态数学模型，求取电力弹簧的微分平滑控制律，根据微分平滑控制律对单相交流电力弹簧中滤波电容电压进行控制；
所述步骤S1中单相交流电力弹簧的电路结构，包括单相交流电压源、线路电阻、电力电子变换器、滤波电感、滤波电容、关键负载电阻和非关键负载电阻，所述的单相交流电压源的第一输出端、线路电阻、关键负载电阻和单相交流电压源的第二输出端依次连接，所述的电力电子变换器的第一输出端、滤波电感、滤波电容和电力电子变换器的第二输出端依次连接，所述滤波电容的一端连接到线路电阻与关键负载电阻之间，所述滤波电容的另一端通过非关键负载电阻连接到单相交流电压源的第二输出端与关键负载电阻之间，所述滤波电感和滤波电容共同构成LC滤波器，用于滤除所述电力电子变换器产生的谐波，并抑制谐振；
所述步骤S1中dq两相同步旋转坐标系下的动态数学模型为：
其中，Lf、Cf分别表示滤波电感、滤波电容，isinjd、isinjq分别表示电力电子变换器交流侧滤波电感电流的d轴分量、q轴分量，vsesd、vsesq分别表示电力电子变换器交流侧滤波电容电压的d轴分量、q轴分量，vsinjd、vsinjq分别表示电力电子变换器交流侧输出电压的d轴分量、q轴分量，isncd、isncq分别表示非关键负载电流的d轴分量、q轴分量，ω表示系统基波角频率，表示微分算子；
所述步骤S2中单相交流电力弹簧的状态变量为：
控制变量为：
平滑输出变量为：
其中，ysd、ysq分别表示平滑输出变量y的d轴分量、q轴分量；
所述步骤S2中平滑输出变量的约束条件为：
其中，ysdref、ysqref分别表示yd、yq的参考量，分别表示ysdref的一次微分量、二次微分量，分别表示ysqref的一次微分量、二次微分量，分别表示ysd的一次微分量、二次微分量，分别表示ysq的一次微分量、二次微分量，k1、k2、k3表示系数，都为正值，∫表示积分算子；
所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31、计算平滑输出变量的一次微分量；
S32、根据平滑输出变量的一次微分量和动态数学模型，计算非关键负载电流的d轴分量、q轴分量；
S33、对非关键负载电流的d轴分量、q轴分量进行微分计算；
S34、求取电力弹簧中电力电子变换器交流侧输出电压的d轴分量、q轴分量，结合控制变量进行计算，输出电力弹簧的微分平滑控制律结果。
2.根据权利要求1所述的单相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，其特征在于，所述步骤S3中平滑输出变量的一次微分量为：
。
3.根据权利要求1所述的单相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，其特征在于，所述步骤S3中非关键负载电流的d轴分量、q轴分量为：
。
4.根据权利要求1所述的单相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，其特征在于，所述步骤S3中非关键负载电流的d轴分量、q轴分量的微分计算结果为：
。
5.根据权利要求1所述的单相交流电力弹簧的电压平稳控制方法，其特征在于，所述步骤S3中电力弹簧的微分平滑控制律为：
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