CN110212514A - 一种基于微分平滑理论的直流电力弹簧非线性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微分平滑理论的直流电力弹簧非线性控制方法，包括：获取直流电力弹簧的输出电压参考值；简化直流电力弹簧模型，获取直流电力弹簧的输出电压；分别获取平滑输出量和平滑输出量参考值；设计能量反馈控制律，得到反馈量；建立直流电力弹簧的可逆动态方程；获取控制量参考值，由控制量参考值控制单相DC/DC变换器中开关管的导通与关断。与现有技术相比，本发明基于微分平滑理论设计反馈控制律，并通过简化直流电力弹簧模型，以单相DC/DC变换器的占空比作为控制变量，建立可逆动态方程，既能保证直流母线电压快速跟踪电压期望值，同时可在较宽稳定域内确保系统静、动态控制性能，具有算法简单、鲁棒性强的优点。

Description

一种基于微分平滑理论的直流电力弹簧非线性控制方法

技术领域

本发明涉及直流电力弹簧控制领域，尤其是涉及一种基于微分平滑理论的直流电力弹簧非线性控制方法。

背景技术

相比交流微电网，直流微电网可更高效可靠地接纳风、光等分布式可再生能源发电系统、储能单元、电动汽车及其他直流用电负荷，然而直流微电网中分布式电源的间歇性、波动性，都会导致电源和负荷瞬时功率不平衡，进而影响直流母线的电压稳定性。直流电力弹簧(Direct Current Electric String，DCES)作为一种新的智能电网技术，能够使负荷用电量随电源发电量的变化而变化，有效克服可再生能源间歇性与波动性发电的问题，从而保障直流母线电压平稳。

直流电力弹簧系统的主电路拓扑如图1所示，包括关键负载R_C、非关键负载R_NC、线路阻抗R、直流微电网电源、LC滤波器(由滤波电感L和滤波电容C构成)、单相DC/DC变换器(由开关管S1、S2、S3和S4构成)和储能电池，其中，LC滤波器、单相DC/DC变换器和储能电池v_DC共同构成直流电力弹簧。

目前广泛采用PI控制对直流电力弹簧进行控制，中国专利CN201510593255.8提出了一种直流电力弹簧拓扑及其控制方法，该专利中的控制方法即是采用PI控制，PI控制的设计流程明确，能达到变换器一般性能要求，但由于PI控制是一种基于特点工作点的线性控制，因此只能保证工作点附近的局部稳定，稳定域窄、鲁棒性不强，一旦电网电压出现大幅快速波动或电路参数发生摄动时，PI线性控制的控制精度低、难以保证变换器具有大信号稳定性，而直流电力弹簧中的单相DC/DC变换器本身具有非线性特性，因此，需要对直流电力弹簧进行非线性控制方法的研究。

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基于微分平滑理论的直流电力弹簧非线性控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于微分平滑理论的直流电力弹簧非线性控制方法，包括以下步骤：

S1、由直流电力弹簧系统的主电路拓扑，得到直流电力弹簧的输出电压参考值；

S2、简化直流电力弹簧模型，进一步得到直流电力弹簧的输出电压；

S3、根据直流电力弹簧的输出电压和输出电压参考值，分别获取平滑输出量和平滑输出量参考值；

S4、结合平滑输出量和平滑输出量参考值，设计能量反馈控制律，得到反馈量；

S5、分别定义状态变量和控制变量，得到直流电力弹簧的可逆动态方程；

S6、反馈量输入可逆动态方程，获取控制量参考值，由控制量参考值控制单相DC/DC变换器中开关管的导通与关断。

优选的，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、由直流电力弹簧系统的主电路拓扑，根据KVL、KCL定律，得到：

v_G＝v_es+i·R_NC+i₁·R

其中，v_G表示直流微电网电源的电压，v_es表示直流电力弹簧的输出电压，R_NC表示非关键负载电阻，i表示非关键负载的电流，i₁和R分别表示线路电流和线路阻抗，R_C表示关键负载电阻，v_pcc表示直流微电网母线电压；

S12、根据直流微电网母线电压额定值，得到直流电力弹簧的输出电压参考值为：

其中，v_esref表示直流电力弹簧输出电压额定值，v_pccref表示直流微电网母线电压额定值。

优选的，所述步骤S2中简化直流电力弹簧模型具体是将单相DC/DC变换器的输出等效为占空比与储能电池电压的乘积，根据KVL、KCL定律，得到：

其中，L为滤波电感，C为滤波电容，D为单相DC/DC变换器的占空比，v_DC表示直流电力弹簧中储能电池的电压，表示微分算子，t表示时间。

优选的，所述步骤S3中平滑输出量具体为LC滤波器中滤波电容C的能量，根据电容的储能计算公式，得到：

y＝1/2Cv² _es

y_ref＝1/2Cv² _esref

其中，y表示平滑输出量，y_ref表示平滑输出量参考值。

优选的，所述步骤S4中能量反馈控制律为：

其中，K₁、K₂和K₃均表示控制参数，和分别表示平滑输出量参考值的一阶导数和二阶导数，和分别表示平滑输出量的一阶导数和二阶导数。

优选的，所述步骤S4中反馈量包括和

优选的，所述步骤S5中状态变量x定义为直流电力弹簧的输出电压，控制变量u定义为单相DC/DC变换器的占空比。

优选的，所述步骤S5中可逆动态方程为：

与现有技术相比，本发明基于微分平滑理论设计直流电力弹簧的非线性控制方法，从稳定性角度出发，设计的反馈控制律能保证直流微电网在分布式电源出力波动的情况下，直流电力弹簧输出电压依旧能快速跟踪参考轨迹；

本发明通过建立可逆动态方程，直接补偿系统非线性，避免小扰动线性化近似处理，能够在更宽的稳定域内确保系统的动态与静态控制性能，有效解决了传统PI控制方法基于小信号模型产生的稳定裕窄的问题；

本发明通过简化直流电力弹簧模型，以单相DC/DC变换器的占空比作为控制变量，能完全描述直流电力弹簧的非线性特性，控制精度高，对电压变化范围宽、负载大扰动的应用对象具有较强的抗干扰能力，为直流微电网母线电压的稳定提供了有力保障。

附图说明

图1为直流电力弹簧系统的主电路拓扑结构图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为本发明简化直流电力弹簧的电路拓扑图；

图4为本发明直流电力弹簧非线性控制原理框图；

图5为实施例中采用本发明方法控制前后直流微电网母线电压波形的对比示意图；

图6a为实施例中参数摄动时传统PI控制后的直流微电网母线电压波形图；

图6b为实施例中参数摄动时本发明方法控制后的直流微电网母线电压波形图。

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。

如图2所示，一种基于微分平滑理论的直流电力弹簧非线性控制方法，包括以下步骤：

S1、由直流电力弹簧系统的主电路拓扑，得到直流电力弹簧的输出电压参考值；

S2、简化直流电力弹簧模型，进一步得到直流电力弹簧的输出电压；

S3、根据直流电力弹簧的输出电压和输出电压参考值，分别获取平滑输出量和平滑输出量参考值；

S4、结合平滑输出量和平滑输出量参考值，设计能量反馈控制律，得到反馈量；

S5、分别定义状态变量和控制变量，得到直流电力弹簧的可逆动态方程；

S6、反馈量输入可逆动态方程，获取控制量参考值，由控制量参考值控制单相DC/DC变换器中开关管的导通与关断。

其中，直流电力弹簧系统的主电路拓扑如图1所示，由KVL、KCL定律可得：

v_G＝v_es+i·R_NC+i₁·R (1)

式中，v_G表示直流微电网电源的电压，v_es表示直流电力弹簧的输出电压，R_NC表示非关键负载电阻，i表示非关键负载的电流，i₁和R分别表示线路电流和线路阻抗，R_C表示关键负载电阻，v_pcc表示直流微电网母线电压；

将直流微电网母线电压额定值代入式(1)和式(2)并整理，可得直流电力弹簧输出电压额定值：

式中，v_esref表示直流电力弹簧输出电压额定值，v_pccref表示直流微电网母线电压额定值；

单相DC/DC变换器可等效为占空比与储能电池电压(即直流侧电压)的乘积，得到直流电力弹簧简化模型，如图3所示，由KVL、KCL定律可得：

式中，L为滤波电感，C为滤波电容，D为单相DC/DC变换器的占空比，v_DC表示直流电力弹簧中储能电池的电压，表示微分算子，t表示时间；

直流电力弹簧LC滤波器中滤波电容C的能量E可表示为：

E＝1/2Cv² _es (6)

定义平滑输出量为直流电力弹簧LC滤波器中滤波电容C的能量，即有y＝E，定义状态变量x＝v_es，定义控制变量u＝D，由式(4)至式(6)可得系统可逆动态方程：

式中，和分别表示平滑输出量的一阶导数和二阶导数；

由式(7)和式(8)可知：状态变量x和控制变量u都可以用平滑输出量y及其有限阶导数表示，依据微分平滑理论，可知直流电力弹簧系统为微分平滑系统；

当电源输出或者负载发生波动时，欲使直流电力弹簧输出能量跟踪参考轨迹，设计反馈控制律为：

式中，K₁、K₂和K₃均表示控制参数，y_ref表示平滑输出量参考值，和分别表示平滑输出量参考值的一阶导数和二阶导数。

本发明的直流电力弹簧非线性控制原理框图如图4所示，以直流电力弹簧输出电压为控制目标，将直流电力弹簧输出电压v_es与参考值v_esref比较，所得偏差信号经过反馈控制律得到反馈量和利用系统的平滑特性，经过可逆动态方程得到单相DC/DC变换器占空比控制量参考值u_ref，将控制量参考值u_ref输入单相DC/DC变换器，控制单相DC/DC变换器中开关管的导通与关断，实现直流电力弹簧输出电压的平稳及供电可靠，进而保障直流微电网母线电压的稳定性。

为了验证本发明直流电力弹簧非线性控制方法的有效性，设置可再生能源出力波动，使直流微电网母线电压不稳定，通过Matlab/Simulink进行仿真验证，仿真系统电路参数如表1所示：

表1

V<sub>DC</sub>	L	C	R<sub>NC</sub>	R<sub>C</sub>	R
						49.2V	6.6mH	21uF	30Ω	30Ω	0.8Ω

图5所示为采用本发明方法控制前后直流微电网母线电压波形的对比示意图，由图5可以看出，未使用DCES时，母线电压偏离48V，且存在波动；使用DCES并采用本发明非线性控制方法时，母线电压在t＝1ms时快速稳定在48V，且未发生超调现象。

此外，设置在t＝0.05s时，LC滤波器中滤波电容值从21uF突降至3uF，使参数发生摄动，图6a为采用传统PI控制方法的直流微电网母线电压波形图，在t＝0.05s时，直流微电网母线电压发生波动，且稳态时存在0.05V的跟踪误差；

图6b为采用本发明非线性控制方法的直流微电网母线电压波形图，直流微电网母线电压经过一个幅值1V、时长1ms的抖动后，快速到达稳定值48V，未发生超调现象，由图6a和图6b对比可知，相较于传统PI控制，采用本发明控制方法的直流微电网母线电压波形幅度更小，更为平稳。

Claims (8)

1.一种基于微分平滑理论的直流电力弹簧非线性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、由直流电力弹簧系统的主电路拓扑，得到直流电力弹簧的输出电压参考值；

S2、简化直流电力弹簧模型，进一步得到直流电力弹簧的输出电压；

S3、根据直流电力弹簧的输出电压和输出电压参考值，分别获取平滑输出量和平滑输出量参考值；

S4、结合平滑输出量和平滑输出量参考值，设计能量反馈控制律，得到反馈量；

S5、分别定义状态变量和控制变量，得到直流电力弹簧的可逆动态方程；

S6、反馈量输入可逆动态方程，获取控制量参考值，由控制量参考值控制单相DC/DC变换器中开关管的导通与关断。

2.根据权利要求1所述的一种基于微分平滑理论的直流电力弹簧非线性控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、由直流电力弹簧系统的主电路拓扑，根据KVL、KCL定律，得到：

v_G＝v_es+i·R_NC+i₁·R

其中，v_G表示直流微电网电源的电压，v_es表示直流电力弹簧的输出电压，R_NC表示非关键负载电阻，i表示非关键负载的电流，i₁和R分别表示线路电流和线路阻抗，R_C表示关键负载电阻，v_pcc表示直流微电网母线电压；

S12、根据直流微电网母线电压额定值，得到直流电力弹簧的输出电压参考值为：

其中，v_esref表示直流电力弹簧输出电压额定值，v_pccref表示直流微电网母线电压额定值。

3.根据权利要求2所述的一种基于微分平滑理论的直流电力弹簧非线性控制方法，其特征在于，所述步骤S2中简化直流电力弹簧模型具体是将单相DC/DC变换器的输出等效为占空比与储能电池电压的乘积，根据KVL、KCL定律，得到：

其中，L为滤波电感，C为滤波电容，D为单相DC/DC变换器的占空比，v_DC表示直流电力弹簧中储能电池的电压，表示微分算子，t表示时间。

4.根据权利要求3所述的一种基于微分平滑理论的直流电力弹簧非线性控制方法，其特征在于，所述步骤S3中平滑输出量具体为LC滤波器中滤波电容C的能量，根据电容的储能计算公式，得到：

y＝1/2Cv² _es

y_ref＝1/2Cv² _esref

其中，y表示平滑输出量，y_ref表示平滑输出量参考值。

5.根据权利要求4所述的一种基于微分平滑理论的直流电力弹簧非线性控制方法，其特征在于，所述步骤S4中能量反馈控制律为：

其中，K₁、K₂和K₃均表示控制参数，和分别表示平滑输出量参考值的一阶导数和二阶导数，和分别表示平滑输出量的一阶导数和二阶导数。

6.根据权利要求5所述的一种基于微分平滑理论的直流电力弹簧非线性控制方法，其特征在于，所述步骤S4中反馈量包括和

7.根据权利要求6所述的一种基于微分平滑理论的直流电力弹簧非线性控制方法，其特征在于，所述步骤S5中状态变量x定义为直流电力弹簧的输出电压，控制变量u定义为单相DC/DC变换器的占空比。

8.根据权利要求7所述的一种基于微分平滑理论的直流电力弹簧非线性控制方法，其特征在于，所述步骤S5中可逆动态方程为：