CN110311426A - 小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制方法及装置，其中方法包括：步骤S1：导入待控制的孤岛风柴混合电力系统的参数，以建立包含耦合效应的孤岛风柴混合电力系统的数学状态模型；步骤S2：设计超螺旋滑模观测器；步骤S3：根据设计的观测器观测到的系统状态变量，得到滑模控制器的输出矩阵并输入至所述状态模型作为控制指令。与现有技术相比，本发明针对系统状态变量不可测的问题，设计超螺旋滑模状态观测器来观测系统状态变量。
Description
技术领域
本发明涉及小型混合电力系统电压和频率控制领域，尤其是涉及一种小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制方法及装置。
背景技术
由于地形和经济因素，风柴混合系统被广泛应用到山区，海岛等电能传输不便的地区。但是风能具有间歇性和随机性，会对系统电压和频率稳定性产生影响。而随着科技发展，分布式小型风柴系统越来越多的在上述地区被设计，通常的将有功功率和无功功率解耦考虑的模型不适合这种情况，因此有必要将耦合项考虑到数学模型中，设计控制器来对有耦合项的风柴系统进行电压和频率的调整。
随着储能技术的不断发展以及成本的降低，越来越多的电池被接入到系统中用来对电力系统的频率波动进行优化。同时为了改善电能质量，柔性交流输电技术(flexibleAC transmission systems，FACTS)伴随着电力电子技术的快速发展而不断进步，为电力系统中电压波动提供了可靠的优化方法。DSTATCOM是一种新型的并联FACTS装置，可通过向电网动态注入感性或容性无功功率来快速抑制电压波动，以维持系统电压稳定。
滑模控制作为典型的非线性控制，具有响应速度快，对参数摄动和外界干扰具有不敏感性，有很强的鲁棒性。并且算法简单，易于工程实现，因此广泛应用于电力系统中。由于系统状态变量不可通过传感器直接测量，因此可设计观测器来观测到不可测量的状态变量，再根据观测到的状态变量，可设计相应的滑模控制器来提高系统的响应速度。但是由于滑模控制的固有抖振问题，因此饱和函数可以在控制器的设计中取代阶跃函数来减小抖振问题，并采用模糊控制器自适应的改变控制器参数，进一步的减小控制器的抖振。
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小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制方法及装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制方法，包括：
步骤S1：针对如图1所示孤岛风柴储混合电力系统，为了减小由于风能波动以及负荷波动而引起的系统电压和频率偏差，导入待控制的孤岛风柴混合电力系统的参数，以建立包含耦合效应的孤岛风柴混合电力系统的数学状态模型；
步骤S2：设计超螺旋滑模观测器；
步骤S3：根据设计的观测器观测到的系统状态变量，得到滑模控制器的输出矩阵并输入至所述状态模型作为控制指令。
所述步骤S1的孤岛风柴混合电力系统中，配以电池和DSTATCOM进行系统电压和频率的调节，采用电池对系统频率进行调节，用DSTATCOM对系统电压进行调节，从而减小系统中电压与频率偏差。
所述状态模型具体为：
其中：为状态变量矩阵的导数，x(·)为系统状态变量矩阵，y(·)为状态变量输出矩阵，u(·)为滑模控制器的输出矩阵，m(·)为系统参数的不确定项，t为时间，A、B、C为系统参数矩阵。
所述观测器的数学表达式为：
其中：为观测到的状态变量的导数，为观测器观测到的系统状态变量，F、L为常数矩阵，k1、k2为观测器的滑模系数，为观测量和实际输出变量的差，n(·)为饱和函数，为过度矩阵，为过度矩阵的导数。
所述步骤S3中得到的滑模控制器的输出矩阵具体为：
其中：为观测到的状态变量，γ为设计的滑模面，为自适应的趋近率参数。
一种小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制装置，包括存储器、处理器，以及存储于存储器中并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
步骤S1：导入待控制的孤岛风柴混合电力系统的参数，以建立包含耦合效应的孤岛风柴混合电力系统的数学状态模型；
步骤S2：设计超螺旋滑模观测器；
步骤S3：根据设计的观测器观测到的系统状态变量，得到滑模控制器的输出矩阵并输入至所述状态模型作为控制指令。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)采用储能系统快速、准确地响应能力，进行系统频率调节，采用DSTATCOM进行电压调整。针对系统状态变量不可测的问题，设计超螺旋滑模状态观测器来观测系统状态变量。
2)根据状态观测器观测到的系统状态变量，设计滑模控制器。为了提高控制效果，采用模糊控制器自适应的调节滑模控制器中趋近率的参数，并采用饱和函数来代替阶跃函数以减小滑模控制器的固有抖振问题。
3)与传统的控制器和观测器相比，超螺旋滑模状态观测器具有更好的观测精度。设计的自适应模糊滑模控制器可大大减小系统电压和频率在扰动下的偏移量，保证电力系统稳定和更快的响应速度。在一定范围内，当负载扰动增加，设计的控制策略对本系统具有更好的控制性能。
附图说明
图1为带小型孤岛风柴混合电力系统结构图；
图2为风力发电系统传递函数模型；
图3为同步发电机的传递函数模型；
图4为电池的传递函数模型；
图5为DSTATCOM的传递函数模型；
图6为DSTATCOM的输出无功偏差传递函数模型；
图7为滑模控制策略结构图
图8(a)为算例1情况下阶跃扰动下系统母线频率变化动态响应曲线；
图8(b)为算例1情况下阶跃扰动下SG输出的有功功率变化曲线；
图8(c)为算例1情况下阶跃扰动下电池输出的有功功率变化曲线；
图8(d)为算例1情况下阶跃扰动下系统母线电压变化动态响应曲线；
图8(e)为算例1情况下阶跃扰动下SG输出的无功功率变化曲线；
图8(f)为算例1情况下阶跃扰动下DSTATCOM输出的有功功率变化曲线；
图9(a)为算例2情况下阶跃扰动下系统母线电压变化动态响应曲线；
图9(b)为算例2情况下阶跃扰动下SG输出的功率变化曲线；
图10(a)为算例2情况下阶跃扰动下系统母线频率变化动态响应曲线；
图10(b)为算例2情况下阶跃扰动下SG输出的功率变化曲线；
图11(a)为系统中有功负荷的随机扰动；
图11(b)为系统中无功负荷的随机扰动；
图11(c)为系统中风机输出的机械功率；
图12(a)为算例3情况下随机扰动下的观测值；
图12(b)为算例3情况下随机扰动下的观测值；
图12(c)为算例3情况下随机扰动下的观测值；
图12(d)为算例3情况下随机扰动下的观测值；
图12(e)为算例3情况下随机扰动下的观测值；
图13(a)为算例4情况下随机扰动下系统母线频率变化动态响应曲线；
图13(b)为算例4情况下随机扰动下系统母线电压变化动态响应曲线；
图14(a)为算例5情况下随机扰动下系统母线频率变化动态响应曲线；
图14(b)为算例5情况下随机扰动下系统母线电压变化动态响应曲线。
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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制方法，该方法以计算机程序的形式由计算机系统实现，对应的控制装置，包括存储器、处理器，以及存储于存储器中并由处理器执行的程序，处理器执行程序时实现以下步骤：
步骤S1：导入待控制的孤岛风柴混合电力系统的参数，以建立包含耦合效应的孤岛风柴混合电力系统的数学状态模型，孤岛风柴混合电力系统中，配以电池和DSTATCOM进行系统电压和频率的调节，采用电池对系统频率进行调节，用DSTATCOM对系统电压进行调节，从而减小系统中电压与频率偏差。
具体的，根据图1，基于小信号分析法对小型孤岛风柴混合电力系统的有功无功平衡问题进行研究，在频域下混合电力系统的有功功率和无功功率平衡方程分别为：
PIG+PSG+PB＝PL
QIG+QSG+QCOM＝QL
式中：PIG是感应发电机产生的有功变化量，PSG是同步发电机产生的有功变化量，PB是储能系统发出的有功功率，PL是负荷消耗的有功变化量；QIG是感应发电机产生的无功变化量，QSG是同步发电机产生的无功变化量，QCOM是DSTATCOM产生的无功功率，QL是负荷消耗的无功变化量。
当系统频率变化为Δf时，系统的有功功率平衡方程为：
当系统电压变化为ΔU时，系统的无功功率平衡方程为：
式中：KP、TP、KV和TV均为功率平衡环节的时间常数。
根据图2可得：风机输出的有功功率可以表示为：
ΔPIG(s)＝K4ΔU(s)+K5ΔPIW(s)
式中：ΔU(s)是系统端电压：ΔPIW(s)为风机输出机械功率，其中：
Req＝r1+r′2,Xeq＝x1+x′2
U为系统母线电压，r1,r′2,x1,x′2分别为感应发电机的定子电阻，转子电阻，定子电抗和转子电抗；s1是感应发电机的静差率，Req和Xeq分别是感应发电机的等效电阻和等效电抗。
风机输出的无功功率可表示为：
ΔQIG(s)＝K6ΔU(s)+K7ΔPIW(s)
其中，K6和K7分别为：
由图3可得：同步发电机的有功变化量为：
式中：ΔPv是调节阀位置增量，R为调速器动作引起的速率调节，Tch为汽轮机时间常数，Tg为调速器时间常数，KI1为积分控制增益
小扰动下，同步发电机的无功变化量为：
ΔQSG(s)＝K1ΔU(s)+K2ΔE′q(s)+K3Δδ(s)
式中：ΔE′q为同步发电机在暂态条件下电枢的暂态电势变化量；δ为同步发电机内部电枢电动势与端口电压之间的功率角；Xd和X′d分别为同步发电机稳态和暂态的直轴电抗，ΔE′q与暂态条件下直轴磁链变化量成正比，表示为：
式中：ΔEfd为励磁调节器电压的变化量，T′do为同步发电机直轴开路时暂态时间常数。
励磁系统采用了IEEE type-1模型，忽略系统的饱和函数，传递函数如下：
式中：KE，KA，KF分别为激励，稳定器，放大器的增益，TE，TA，TF分别为激励，稳定器，放大器的时间常数。ΔUa(s)为放大器输出的变化量，ΔUf(s)为励磁反馈电压，ΔUref(s)为设定的参考电压变化量。
本申请中，电池用来对系统频率进行调节，DSTATCOM用来对系统电压进行调节，其主要作用是通过变流器与电网交换功率。在图4和图5中，图中TB为功率转换系统的时间常数，KB为储能系统的单位调节功率系数，KP2、KI2为电池的PI调节器增益；其中Δα为输出相角的变化量，Ta为晶闸管触发延迟时间，Td为晶闸管平均死区时间，KP3、KI3为DSTATCOM的PI调节器增益，Vdc为DSTATCOM中电容侧电压，B为变压器输出电纳，k为常数，p为逆变器脉冲数。DSTATCOM的无功输出变化量如图6所示：
ΔQCOM(s)＝K7ΔU(s)+K8Δα(s)
K7＝-kVdcBcosα,K8＝kVdcVBsinα
图7中，首先通过状态观测器将不可测量的系统状态变量观测出来，然后控制器根据观测到的状态变量生成控制补偿量u1和u2，分别输入到电池和DSTATCOM的输入端，从而调节其发出和吸收的功率来对系统电压和频率进行改善。
由于在小型系统中，有功和无功之间的耦合效应对系统电压和频率有较大影响，因此这不可忽略，因此状态模型具体为：
其中：为状态变量矩阵的导数，x(·)为系统状态变量，y(·)为状态变量输出矩阵，u(·)为滑模控制器的输出矩阵，m(·)为系统参数的不确定项，t为时间，A、B、C为系统参数矩阵。
步骤S2：根据所建立的数学模型，由于系统状态变量不可测，因此设计超螺旋滑模观测器，所设计的观测器如下：
为了进一步减小抖振，采用饱和函数n(*)来代替sign(*)，因此观测器可以被设计为：
其中：为观测到的状态变量的导数，为观测器观测到的系统状态变量，F、L为常数矩阵，k1、k2为观测器的滑模系数，为观测量和实际输出变量的差，n(·)为饱和函数，为过度矩阵，为过度矩阵的导数。
步骤S3：根据设计的观测器观测到的系统状态变量，得到滑模控制器的输出矩阵并输入至状态模型作为控制指令，
具体的，根据设计的观测器观测到的系统状态变量，设计滑模面为：
利用指数型趋近率：
所以可设计滑模控制器如下：
其中D为设计的常数矩阵，p和q是控制器的滑模系数，γ为设计的滑模面，且为了减小抖振，采用饱和函数n(*)来代替sign(*)，并设计模糊控制器自适应的调节趋近率的参数p和q，因此滑模控制器可修改为：
其中：为观测到的系统状态变量，γ为设计的滑模面，为自适应的趋近率参数。
本发明孤岛风柴储混合电力系统主要有图1图2图3图4图5图6所体现。图1为小型孤岛风柴混合电力系统结构图，图2为风力发电系统给的传递函数模型，图3为同步发电机的传递函数模型，图4为电池的传递函数模型，图5为DSTATCOM的传递函数模型；图6为DSTATCOM的输出无功偏差传递函数模型。
本发明中，电池参与了系统频率的调节。在频率波动的情况下，使得发电机输出功率的增量平均减小，从而使负荷频率调节更加容易并将系统频率波动控制在较小的范围内。DSTATCOM用来提供无功支持，使得系统电压波动控制在较小的范围内。从而提高电力系统运行的可靠性。
本发明对孤岛混合电力系统的电压频率控制是有效的，设计的电压频率控制策略可将系统电压和频率控制在国家规定的允许甚至更小的范围内。可为以后系统电压频率控制方面的研究奠定一定的基础。
(1)小型孤岛风柴混合电力系统的数学模型
本发明所研究的孤岛风柴储混合电力系统，包含风力发电系统、柴油发电系统、负荷、无功补偿装置DSTATCOM以及储能系统。根据图7，建立起的数学模型建立状态空间方程：
其中状态变量以及各矩阵分别为：
x(t)＝[Δα(t) Δα1(t) Δα2(t) ΔPB(t) ΔP1(t)]T
u(t)＝[u1(t) u2(t)]T
d(t)＝[d1(t) d2(t)]T
y(t)＝[Δα(t) ΔPB(t)]T
其中：d1＝ΔUref+ΔU，d2＝Δfref+Δf
当系统工作点发生变化时，系统的参数也随之发生变化，从而产生系统参数不确定性。因此上式可以扩展为包含参数不确定和符合干扰的系统模型：
其中ΔA、ΔM为参数的不确定项。
为方便滑模控制器设计，定义不确定项：
m(x,t)＝ΔAx(t)+(M+ΔM)d(t)
则系统可以表示为：
(2)本发明小型孤岛风柴混合电力系统超螺旋滑模状态观测器设计
为了提高观测器的观测准确性，可将超螺旋算法应用到滑模控制器中。传统的超螺旋算法可表示为：
εi,vi和ρi分别为状态变量，观测量和实际值得偏差，常数和扰动项。从文献中可以知道，当常数和扰动项满足：
|ρ1|≤τ|ε1|1/2,|ρ2|＝0
时，系统稳定，其中τ是一个正常数。
因此超螺旋滑模观测器可以设计为:
其中为观测器观测到的系统状态变量，F和L是设计的常数矩阵，k1和k2是观测器的滑模系数，是过度矩阵，sign(*)是阶跃函数，是观测量和实际输出变量的差，为了进一步减小抖振，采用饱和函数n(*)来代替sign(*)，其中n(*)为：
因此观测器可以被设计为：
根据设计的滑模观测器观测到的状态变量，进行自适应滑模控制器的设计
定义滑模面为：
利用指数型趋近率：
所以可设计滑模控制器如下：
其中D为设计的常数矩阵，p和q是控制器的滑模系数，γ为设计的滑模面，且为了减小抖振，采用饱和函数n(*)来代替sign(*)，并设计模糊控制器自适应的调节趋近率的参数p和q，其模糊控制规则如表1所示：
表1模糊规则
因此新的趋近率为：
滑模控制器可修改为：
其中和为自适应的趋近率参数。
表2混合电力系统容量参数
| 容量 | 数值 |
| 基准容量 | 250KW |
| 风机容量 | 150KW |
| 柴油机容量 | 250KW |
| 负荷容量 | 250KW |
表3 SG、IG、励磁系统和负荷参数
表4 DSTATCOM和储能系统参数
| DSTATCOM | 储能系统 |
| KP3＝100 | KP2＝5 |
| KI3＝12700 | KI2＝10.5 |
| Ka＝0.44642 | KB＝6 |
| Ta＝0.0019 | TB＝0.12 |
| Td＝0.00167 |
(3)算例分析
为验证本文中对电池以及DSTATCOM设计的超螺旋滑模状态观测器和自适应滑模控制器对小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率控制的有效性，本文基于RTDS平台，搭建了小型孤岛风柴混合电力系统模型以及对应的滑模控制策略仿真模型。针对孤岛运行的电力系统中，分别考虑了不同风能和不同负荷扰动下附加控制器的鲁棒性问题。所研究的混合电力系统中风机装机容量为150KW，柴油机容量为250KW，负荷容量为250KW。
算例1
在算例1中，首先考虑了系统无电池和DSTATCOM，系统配置采用传统PI控制的电池和DSTATCOM以及系统配置采用传统滑模控制策略三种情况。在t＝1s时，设定阶跃扰动ΔPL＝0.4pu,ΔQL＝0.03pu,ΔPIW＝0.1pu。
由图8(a)可以看出，系统在1s产生一个有功的阶跃扰动时，无电池和DSTATCOM的系统的频率偏差最大，大约为0.02pu，加入电池和DSTATCOM并使用PI控制器可使得频率偏差变小，而采用传统滑模控制策略可以进一步减小频率偏差量。图8(b)和(c)为三种情况下系统的输出功率变化情况。图8(d)中，可以看出在1s产生一个无功阶跃扰动时，无电池和DSTATCOM的系统电压恢复很慢，而加入电池和DSTATCOM并使用PI控制器可以使得电压偏差变小，采用传统滑模控制策略可以进一步减小电压偏差量。图8(e)和(f)为三种情况下系统的输出功率变化情况。
算例2
算例2在系统配置了电池和DSTATCOM的情况中验证小型系统中的耦合效应。在t＝1s时，ΔPL＝0.4pu,ΔQL＝ΔPIW＝0pu，此时电压变化量和SG输出功率由图9表示。在t＝1s时，ΔQL＝0.4pu,ΔPL＝ΔPIW＝0pu，此时频率变化量和SG输出功率由图10表示。
由图9(b)可以看出，系统在1s只产生一个有功的阶跃扰动时，SG输出有功功率增加，输出的无功功率减小，系统电压产生波动。图10(b)可以看出，系统在1s只产生一个无功的阶跃扰动时，SG输出无功功率增加，输出的有功功率不变化，系统频率产生波动。由于功率相互影响较大，因此耦合效应应当被考虑。
算例3
为了验证所提出的的超螺旋滑模状态观测器的有效性，在随机扰动的情况下，将所提出的超螺旋滑模状态观测器和传统滑模观测器进行比较。其中图11为随机波动的负荷功率和风机输出机械功率，图12为各个状态变量的观测值和实际值。
图12中可以看出，改进的超螺旋滑模状态观测器相比于传统滑模观测器具有更好的观测效果，各个状态变量的观测效果都要更佳，且抖振更小。因此改进的超螺旋滑模观测器具有更好的观测效果，具有一定的优越性。
算例4
为了验证所设计的自适应滑模控制器的控制效果，本算例在随机扰动的情况下将自适应滑模控制器与传统滑模控制，传统PI控制进行了比较，图13为系统电压和频率的变化曲线。
由图13(a)所示，传统滑模控制器相比于传统PI控制器具有更好的频率调节效果，而自适应滑模控制器比传统滑模控制器拥有更小的超调量和更快的响应速度。由图13(b)所示，传统滑模控制器比传统PI控制器具有更好的电压调节效果，自适应滑模控制器比传统滑模控制器有更好的调节效果。因此自适应滑模控制器具有一定的优越性。
算例5
本方案在随机扰动的情况下，将传统的观测器和改进的观测器，传统的控制器和改进的控制器进行搭配，以验证所提出的观测器配合控制器的控制策略的有效性。图14为系统电压和频率的变化曲线。
由图13(a)所示，所提出的超螺旋滑模观测器配合自适应滑模控制器具有更好的频率控制效果。图13(b)所示，所提出的控制策略具有更好的电压控制效果。因此本文所提出的控制策略具有一定的优越性。
Claims (10)
1.一种小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1：导入待控制的孤岛风柴混合电力系统的参数，以建立包含耦合效应的孤岛风柴混合电力系统的数学状态模型；
步骤S2：设计超螺旋滑模观测器；
步骤S3：根据设计的观测器观测到的系统状态变量，得到滑模控制器的输出矩阵并输入至所述状态模型作为控制指令。
2.根据权利要求1所述的一种小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制方法，其特征在于，所述步骤S1的孤岛风柴混合电力系统中，配以电池和DSTATCOM进行系统电压和频率的调节，采用电池对系统频率进行调节，用DSTATCOM对系统电压进行调节，从而减小系统中电压与频率偏差。
3.根据权利要求2所述的一种小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制方法，其特征在于，所述状态模型具体为：
其中：为状态变量矩阵的导数，x(·)状态变量矩阵，y(·)为状态变量输出矩阵，u(·)为滑模控制器的输出矩阵，m(·)为系统参数的不确定项，t为时间，A、B、C为系统参数矩阵。
4.根据权利要求3所述的一种小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制方法，其特征在于，所述观测器的数学表达式为：
其中：为观测到的状态变量矩阵的导数，为观测器观测到的系统状态变量，F、L为常数矩阵，k1、k2为观测器的滑模系数，为观测量和实际输出变量的差，n(·)为饱和函数，为过度矩阵，为过度矩阵的导数。
5.根据权利要求4所述的一种小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中得到的滑模控制器的输出矩阵具体为：
其中：为观测器观测到的系统状态变量，γ为设计的滑模面，为自适应的趋近率参数。
6.一种小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制装置，其特征在于，包括存储器、处理器，以及存储于存储器中并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
步骤S1：导入待控制的孤岛风柴混合电力系统的参数，以建立包含耦合效应的孤岛风柴混合电力系统的数学状态模型；
步骤S2：设计超螺旋滑模观测器；
步骤S3：根据设计的观测器观测到的系统状态变量，得到滑模控制器的输出矩阵并输入至所述状态模型作为控制指令。
7.根据权利要求6所述的一种小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制装置，其特征在于，所述步骤S1的孤岛风柴混合电力系统中，配以电池和DSTATCOM进行系统电压和频率的调节，采用电池对系统频率进行调节，用DSTATCOM对系统电压进行调节，从而减小系统中电压与频率偏差。
8.根据权利要求7所述的一种小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制装置，其特征在于，所述状态模型具体为：
其中：为状态变量矩阵的导数，x(·)为状态变量矩阵，y(·)为状态变量输出矩阵，u(·)为滑模控制器的输出矩阵，m(·)为系统参数的不确定项，t为时间，A、B、C为系统参数矩阵。
9.根据权利要求8所述的一种小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制装置，其特征在于，所述观测器的数学表达式为：
其中：为观测到的状态变量的导数，为观测器观测到的系统状态变量，F、L为常数矩阵，k1、k2为观测器的滑模系数，为观测量和实际输出变量的差，n(·)为饱和函数，为过度矩阵，为过度矩阵的导数。
10.根据权利要求9所述的一种小型孤岛风柴混合电力系统电压和频率的控制装置，其特征在于，所述步骤S3中得到的滑模控制器的输出矩阵具体为：
其中：为观测到的系统状态变量，γ为设计的滑模面，为自适应的趋近率参数。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112186789A (zh) * | 2020-09-24 | 2021-01-05 | 沈阳工程学院 | 一种电动汽车参与微电网负荷调频的滑模控制方法 |
| CN112953290A (zh) * | 2021-03-22 | 2021-06-11 | 淮阴工学院 | 一种孤岛微网中并联逆变器系统鲁棒控制方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108155643A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-06-12 | 上海交通大学 | 一种基于滑模观测器的单相电网电压参数的鲁棒估计方法 |
| WO2018121732A1 (zh) * | 2016-12-30 | 2018-07-05 | 东南大学 | 一种基于非线性状态观测器的微电网分散式电压控制方法 |
| CN108281969A (zh) * | 2017-12-15 | 2018-07-13 | 上海电力学院 | 多风柴系统的statcom自适应模糊滑模控制方法 |
| CN109495048A (zh) * | 2018-11-26 | 2019-03-19 | 天津大学 | 基于mrac观测器的永磁同步电机无速度传感器控制方法 |
| CN109802446A (zh) * | 2019-01-08 | 2019-05-24 | 上海电力学院 | 基于云模型的风柴储混合电力系统电压频率滑模控制方法 |
-
2019
- 2019-06-27 CN CN201910570575.XA patent/CN110311426B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018121732A1 (zh) * | 2016-12-30 | 2018-07-05 | 东南大学 | 一种基于非线性状态观测器的微电网分散式电压控制方法 |
| CN108281969A (zh) * | 2017-12-15 | 2018-07-13 | 上海电力学院 | 多风柴系统的statcom自适应模糊滑模控制方法 |
| CN108155643A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-06-12 | 上海交通大学 | 一种基于滑模观测器的单相电网电压参数的鲁棒估计方法 |
| CN109495048A (zh) * | 2018-11-26 | 2019-03-19 | 天津大学 | 基于mrac观测器的永磁同步电机无速度传感器控制方法 |
| CN109802446A (zh) * | 2019-01-08 | 2019-05-24 | 上海电力学院 | 基于云模型的风柴储混合电力系统电压频率滑模控制方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张懿: "离散型变增益永磁同步电机超螺旋滑模观测器", 《电工技术学报》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112186789A (zh) * | 2020-09-24 | 2021-01-05 | 沈阳工程学院 | 一种电动汽车参与微电网负荷调频的滑模控制方法 |
| CN112186789B (zh) * | 2020-09-24 | 2023-06-02 | 沈阳工程学院 | 一种电动汽车参与微电网负荷调频的滑模控制方法 |
| CN112953290A (zh) * | 2021-03-22 | 2021-06-11 | 淮阴工学院 | 一种孤岛微网中并联逆变器系统鲁棒控制方法 |
| CN112953290B (zh) * | 2021-03-22 | 2024-06-11 | 淮阴工学院 | 一种孤岛微网中并联逆变器系统鲁棒控制方法 |
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