CN110401231B - 多端口能源路由器自-互-群多层次稳定辨识与回稳方法 - Google Patents

多端口能源路由器自-互-群多层次稳定辨识与回稳方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多端口能源路由器自‑互‑群多层次稳定辨识与回稳方法，涉及能源互联网技术领域。该方法基于阻抗判据的双能流多端口能源路由器稳定辨识方法和阻抗重塑回稳控制策略，首先辨识能源路由器中前端DC变换器、双有源桥双向DC‑DC变换器、后端AC/DC变换器三个子系统的各自稳定性；其次利用MFC分式判据得到单项双能流多端口互耦合能源路由器单体稳定性，进而利用阻抗流图得到集群能源路由器的稳定性，最后针对以上出现的三种失稳现象，提出三层阻抗重塑回稳控制策略，分别采用自调节参数技术、无源耦合阻抗重塑技术和源侧级联阻抗重塑技术使系统稳定。该方法确保能源互联网系统整体的稳定性并实现系统的可扩展性、即插即用性和安全稳定运行性。

Description

多端口能源路由器自-互-群多层次稳定辨识与回稳方法
技术领域
本发明涉及能源互联网技术领域，尤其涉及一种多端口能源路由器自-互-群多层次稳定辨识与回稳方法。
背景技术
自二十一世纪以来，随着经济社会和电力电子变换技术的快速发展，在能源互联网中一种新型的未来可再生能源传输和管理系统(FREEDM)被人们所提出，与此同时，由于牵引变压器的体积庞大而笨重，一种新型的能源路由器成为了FREEDM的关键部件。能源路由器是融合电力电子技术和高频变压器技术，应用电力电子变换器与高频隔离变压器结合的方法，使得能源路由器相对于传统变压器来说，具有电压跌落补偿、断电补偿、瞬时电压调整、故障隔离、无功功率补偿、谐波隔离、新能源接入等优点，且其体积小、重量轻，利于模块化集成。在未来的可再生能源传输和管理系统中，能源路由器由于其功能的多样性、丰富性将会占有重要的应用地位。单台能源路由器包含前端DC变换器、双向桥式变换器和后端AC/DC变换器，由于三部分相互影响而产生的失稳现象已经越来越受到人们的重视。
现今，基于阻抗的稳定性辨识方法已经有许多种，主要分为模型阻抗稳定辨识和测量阻抗稳定辨识两大类。阻抗稳定性分析方法是通过将这个系统分为稳定的电源子系统和稳定的负载子系统，并通过广义奈斯曲线来评估整个系统的稳定性。目前为提高阻抗稳定性分析方法的性能，一些学者已经提出了相关的论述，为了降低Middlebrook判据的人造保守性问题，增益裕量和相角裕量判据、Energy Source Analysis Consortium判据、Opposing Argument判据和Three-Step Impedance判据被相继提出。为解决广义奈斯曲线的缺点，逆广义奈斯曲线判据、Mikhailov判据等被提出。为实现双向流动系统稳定性分析，Sum Type判据已经被提出。另外一些简化的稳定性判据，如G-范数稳定性判据、奇异值稳定性判据、无穷-1范数稳定性判据和无穷范数稳定性判据被相继提出。因此，基于阻抗的稳定性分析技术应用于能源路由器稳定辨识具备先天的优势。M.Khazraei首次提出了基于阻抗稳定性分析技术的能源路由器稳定性分析方法，然而，能源路由器子模块的控制策略是十分特殊的，在实际应用中难以实现。因此，能源路由器的稳定辨识仍然是一个开放性的问题，并且集群的能源路由器系统多层回稳控制也亟待提出。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种多端口能源路由器自-互-群多层次稳定辨识与回稳方法，以达到对能源路由器进行稳定辨识和回稳控制的目的。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：多端口能源路由器自-互-群多层次稳定辨识与回稳方法，包括以下步骤：
步骤1：对待检测的单项双能流多端口能源路由器系统进行系统参数初始化；所述系统参数包括能源路由器系统前端DC变换器、双有源桥双向DC-DC变换器、后端AC/DC变换器这三个子系统中的电阻值、电感值、电容值、线路阻抗、开关频率及多接口处储能、光伏设备；
步骤2：根据前端DC变换器的拓扑结构构建其Eular-Lagrange数学模型，并根据前端DC变换器的数学模型计算其传递函数，进而判断多端口能源路由器系统直流前端的稳定性，若判别结果为失稳，则判定多端口能源路由器系统为自层级失稳，并执行步骤7，否则执行步骤3；
步骤3：根据双有源桥双向DC-DC变换器的拓扑结构构建其Eular-Lagrange数学模型，并根据双有源桥双向DC-DC变换器的数学模型计算其传递函数，进而判断其稳定性；若判别结果为失稳，则判定多端口能源路由器系统为自层级失稳，执行步骤7，否则执行步骤4；
步骤4：根据后端AC/DC变换器的电路拓扑结构构建其Eular-Lagrange数学模型，并根据后端AC/DC变换器的数学模型计算其传递函数，根据其传递函数的奈斯曲线判定后端AC/DC变换器的稳定性，若判别结果为失稳，则判定多端口能源路由器系统为自层级失稳，并执行步骤7，否则执行步骤5；
步骤5：通过步骤2-4在确定单项双能流多端口能源路由器的基本三级独立子系统稳定后，在双有源桥双向DC-DC变换器前后级母线处接入多负载及光伏、风机这些新能源设备，进一步确定单项双能流多端口互耦合能源路由器的单体稳定性；
步骤5.1：在双有源桥双向DC-DC变换器前级处并联n台不同设备，包括负载、储能以及其他光伏、风机新能源设备；同时不考虑负载及光伏装置的独立稳定性；由于存在线路阻抗以及各个装置并联后其输入输出阻抗相互耦合影响，把多端口能源路由器系统中的每一个接口独立看作一个子模块，每两个接口间均存在线路阻抗，利用广义带宽小扰动电流注入器将多接口电路结构等效为镜像频率耦合的戴维南电路；通过构建从接口处向四周延伸的系统整体关系函数矩阵及系统的闭环极点位置进行系统稳定性的判断；
步骤5.1.1：在DC变换器前端的母线处并联n台设备，对应着n个节点，把每个节点设定为均存在电源以及其自身负载并且在任意两个设备的连接线间都存在线路阻抗，其中，设备的输出外特性表现为向外输出能量的称为源设备，输出外特性表现为消耗能量的称为载设备；
步骤5.1.2：采用矩阵多分判据(MFC)方法对多端口能源路由器多并联系统进行建模；
首先建立整个多端口能源路由器系统的关系函数矩阵，进而求得系统的闭环极点位置即可判断系统稳定性；针对由n个设备组成多端口能源路由器系统，建立n*n个关系函数组成的关系函数矩阵K(s)，矩阵中第a行b列元素为a和b两个设备间构建的关系函数；步骤5.1.3：采用矩阵多分判据的方法，判定K(s)中每个节点对应的零、极点；将关系函数矩阵表示成两个多项式矩阵之“比”，设定N(s)D-1(s)和A-1(s)B(s)分别为给定关系函数矩阵K(s)的任意不可简约的右MFC和左MFC，其中，N(s)表示给定关系函数矩阵K(s)的任意不可简约的右MFC分子部分，D(s)表示给定关系函数矩阵K(s)的任意不可简约的右MFC分母部分；A(s)表示给定关系函数矩阵K(s)的任意不可简约的右MFC分母部分，B(s)表示给定关系函数矩阵K(s)的任意不可简约的右MFC分子部分；
则K(s)的零极点表示为：K(s)的极点为det D(s)＝0的根或者det A(s)＝0的根；K(s)的零点为使N(s)或B(s)降秩的s值；
步骤5.1.3：对任意节点k的设备进行分析，k＝1，…，n，Vk为节点k电压，iok为前端直流电路输出电流，ilinckj为节点k与节点j之间电流，j＝1，…，n且j≠n，Zloadk为本地负载阻抗，iloadk为本地负载电流，Zlinekj为节点k与节点j之间线路阻抗；
则节点k的本地负载电压及电流描述方程为：
Vk＝Zloadkiloadk
节点k和节点j之间电压电流描述方程为：
Vk-Vj＝Zlinckjilinckj
其中，Vj为节点j处的电压；
节点k上前端直流电路输出电流为：
iok＝Yeqk(GkVk-Vk)
其中，
Figure BDA0002142901870000031
为节点k与节点j之间线路导纳，Zeqk为节点k与节点j之间线路阻抗，Gk为比例系数；
节点k本地负载的电流表达式为：
iloadk＝YloadkVk
其中，
Figure BDA0002142901870000041
为负载导纳，Zloadk为负载阻抗；
节点k流入节点j的电流表达式为：
ilinekj＝Ylinekj(Vk-Vj)
其中，
Figure BDA0002142901870000042
为节点k与节点j之间线路导纳；
由基尔霍夫定律，节点k流入电流等于流出电流，则
Figure BDA0002142901870000043
联立上述公式，得到节点k处的等效阻抗，如下公式所示：
Figure BDA0002142901870000044
其中，
Figure BDA0002142901870000045
将关系函数矩阵K(s)的极点扩展至整个能源路由器及其外接设备系统进行分析，把所有节点处基尔霍夫公式结合组成矩阵形式：
Figure BDA0002142901870000046
Figure BDA0002142901870000047
联立上述两式并化简：
Figure BDA0002142901870000048
其中，
Figure BDA0002142901870000051
Gcli表示电流比例系数，Gclv表示电压比例系数；
矩阵
Figure BDA0002142901870000052
为能源路由器系统的闭环关系函数矩阵K(s)，通过判定K(s)的稳定性即系统的稳定性，进而将K(s)转化为矩阵相乘的形式：
Figure BDA0002142901870000053
即
Figure BDA0002142901870000054
B(s)＝YM1-YM2；
步骤5.2：由秩判据的方法对关系矩阵K(s)进行互质的验证；由于
Figure BDA0002142901870000055
和B(s)＝YM1-YM2均为n阶方阵，A(s)为非奇异矩阵，其行列式为关于s的多项式，且rank[A(s)B(s)]＝n，即满足不可简约的左MFC条件，故通过求解
Figure BDA0002142901870000056
的根得到系统的闭环极点；观察闭环极点位于右平面个数，当极点个数为零，则系统稳定，若极点个数不为零，则系统无法稳定；同时根据对极点为零处进行的分析，判断不稳定设备位置，若判别结果为失稳，则判定多端口能源路由器系统为互层级失稳，并执行步骤7，反之则执行步骤6；
步骤6：通过步骤5在确定单项双能流多端口能源路由器单体稳定后，判断集群能源路由器整个系统的稳定性；
步骤6.1：当系统由m台能源路由器混连得到，利用广义带宽小扰动电流注入器得到集群能源路由器系统的输出阻抗矩阵，并利用下式对集群能源路由器系统进行去噪处理得到集群能源路由器系统的导纳矩阵流图；
Figure BDA0002142901870000057
其中，TRi′j′和TGi′j′，分别为两台能源路由器间的互阻和互导，i′＝1，…，m，j′＝1，…，m，i′≠j′，由于两台能源路由器从不同的角度分析，将会得到Gi′j′和Gj′i′为两台能源路由器从不同的角度分析得到的两组戴维南等效输出导纳矩阵，Zij′为第i台能源路由器向第j台能源路由器等效输出阻抗矩阵，
Figure BDA0002142901870000058
为Zi′j′的转置矩阵；
步骤6.2：根据导纳矩阵关联性和系统稳定特性条件，当步骤1-5确定系统自层级和互层级稳定并且下式不存在右极点：
Figure BDA0002142901870000061
则集群双能流多端口能源路由器系统稳定，反之则集群双能流多端口能源路由器系统为能源路由器群层级失稳，执行步骤7，进行集群能源路由器三层阻抗重塑，使得系统达到稳定；
步骤7：如果通过上述步骤2-6辨识得到集群单项双能流多端口能源路由器系统存在失稳结果，则针对步骤2-6不同层次的失稳环节分别采用自调节参数技术、无源耦合阻抗重塑技术和源侧级联阻抗重塑技术使系统稳定；
步骤7.1：针对能源路由器自层级失稳现象，根据下垂系数越小系统稳定性越高的原则，分别利用反正切函数调节单台能源路由器的后端DC变换器中的下垂控制系数，如下式所示，并重新执行步骤1；
Figure BDA0002142901870000062
其中，R表示下垂系数，R0表示初始下垂系数，k1和k2是比例系数，Γ是平移系数；
步骤7.2：针对能源路由器互层级失稳现象，电源侧级联阻抗控制降低电源侧子系统的阻抗来满足系统的稳定性；将前端DC变换器或双有源桥双向DC-DC变换器等效为广义整流器，其Eular-Largrange模型表示为：
Figure BDA0002142901870000063
其中，Ln，Rn，Cd，Rd分别为广义整流器的前端的等效电感、电阻和后端的等效电容、电阻，udc，id，iq分别为广义整流器直流前端电压和dq轴向电流，ud，uq分别为整流器输出侧的dq轴向电压；Sd和Sq分别表示d-q坐标系下的开关占空比，ω表示多端口能源路由器系统的角速度；
将上式简写为：
Figure BDA0002142901870000064
其中，
Figure BDA0002142901870000071
分别表示多端口能源路由器系统状态变量和终端控制；
多端口能源路由器系统理想的状态变量表示为：
Figure BDA0002142901870000072
其中，udc表示多端口能源路由器系统直流侧电压，xref为理想状态变量，Um为广义整流器的最大输出电压；
构建状态变量误差xe＝xref-x的能量函数为：
Figure BDA0002142901870000073
因此，将广义整流器器的Eular-Largrange模型改写为：
Figure BDA0002142901870000074
为了保证多端口能源路由器系统的误差最后一致收敛到0，引入阻尼注入因子，如下公式所示：
Rdxe＝(R+Rp)xe
其中，Rp表示阻尼注入因子，其为对称正定阻尼矩阵，即
Figure BDA0002142901870000075
其中，rp1-rp3均表示虚拟注入电阻；
通过调节Rp保证李雅普诺夫直接稳定判据，得到能源路由器互层级回稳控制策略；经过此无源耦合阻抗重塑技术后，重新执行步骤5；
步骤7.3：针对能源路由器群层级失稳现象，通过增大电源侧输出导纳矩阵来实现系统的稳定，即降低戴维南等效电路中的输出阻抗值，单体能源路由器稳定的情况下，集群能源路由器由于相互耦合仅会诱发低频振荡和同步失稳，而非全频域失稳，因此设计的虚拟阻抗是特定频域内的阻抗重塑技术，其具体表达式如下公式所示：
Figure BDA0002142901870000081
其中，(fon-flo，fon+flo)表示失稳频率区间，K表示衰减系数，Zvir表示虚拟阻抗，flo表示频率下限，fon表示频率上限，s表示拉普拉斯乘子；
经过此源侧级联阻抗重塑技术后，重新执行步骤6。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的多端口能源路由器自-互-群多层次稳定辨识与回稳方法，从根本上解决了集群能源路由器的复杂稳定性评估问题，利用自层级稳定辨识技术消弭了传统阻抗技术的各个子模块稳定的假设条件，进而利用互层级稳定辨识技术解决了多级电力变换器件的耦合稳定性问题，最后利用群层级稳定辨识技术得到复杂能源路由器网络稳定的充要条件，有效地促进了能源互联网的发展。针对上述各个层级的稳定性问题，提出三层阻抗重塑回稳控制策略以确保能源互联网系统整体的稳定性并实现系统的可扩展性、即插即用性和安全稳定运行性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的单项双能流多端口能源路由器结构示意图；
图2为本发明实施例提供的多端口能源路由器自-互-群多层次稳定辨识与回稳方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的单项双能流多端口能源路由器拓扑及控制框图；
图4为本发明实施例提供的能源路由器中双向桥式电路移相控制效果图；
图5为本发明实施例提供的能源路由器多节点示意图；
图6为本发明实施例提供的能源路由器多节点等效电路图；
图7为本发明实施例提供的能源路由器中节点k处等效图；
图8为本发明实施例提供的集群能源路由器拓扑连接图；
图9为本发明实施例提供的无源耦合阻抗重塑控制框图；
图10为本发明实施例提供的源侧级联阻抗重塑控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例中，对如图1所示多端口能源路由器系统采用本发明的多端口能源路由器自-互-群多层次稳定辨识与回稳方法进行稳定性辨识和回稳；该多端口能源路由器系统包括电压电流采集模块，阻抗生成模块，通信模块，信息处理模块以及三层阻抗重塑模块等；三层阻抗重塑模块采用本发明的三层阻抗重塑回稳控制策略确保系统的整体稳定性。
多端口能源路由器自-互-群多层次稳定辨识与回稳方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：对待检测的单项双能流多端口能源路由器系统进行系统参数初始化；所述系统参数包括能源路由器系统前端DC变换器、双有源桥双向DC-DC变换器(Dual ActiveBridge，即DAB)、后端AC/DC变换器这三个子系统中的电阻值、电感值、电容值、线路阻抗、开关频率及多接口处储能、光伏设备；
步骤2：根据前端DC变换器的拓扑结构构建其Eular-Lagrange数学模型，并根据前端DC变换器的数学模型计算其传递函数，进而判断多端口能源路由器系统直流前端的稳定性，若判别结果为失稳，则判定多端口能源路由器系统为自层级失稳，并执行步骤7，否则执行步骤3；
步骤2.1：根据如图3所示的单项双能流多端口能源路由器拓扑及控制框图中前端直流电路构建数学模型，其中CH是直流侧输出电容，Lr是交流侧输入滤波电感，Rr是交流侧等效电阻，ug是电网电压，ig是电网电流，UH是直流侧电压，Db是下垂系数，Un是直流侧额定电压，Cv是引入的虚拟电容，iREC是直流侧电流和iH直流侧输出电流，H是电流前馈系数；则前端直流电路的数学表达是如下所示：
Figure BDA0002142901870000091
PI控制器被使用作为电流控制内环，其可以表示为Gi(s)＝krecpi+krecii/s。
因此，等式(1)可以被表示为如下：
Figure BDA0002142901870000092
步骤2.2：根据图3所示的单项双能流多端口能源路由器拓扑及控制框图中的前端直流电路控制策略，电流内环的传递函数可以被表示如下：
Figure BDA0002142901870000101
忽略能量的损耗，根据前端直流电路两侧的功率相同，等式(3)可以被简化为如下所示：
Figure BDA0002142901870000102
更进一步，等式(4)的传递函数如下所示：
Figure BDA0002142901870000103
根据叠加原理，uH(s)和igd(s)，uH(s)和iH(s)的关系分别如下所示：
Figure BDA0002142901870000104
忽略电网电压的影响，将虚拟惯量控制器，直流输出电流反馈控制器和电压环PI控制器应用于能源路由器其小信号模型如下所示：
Figure BDA0002142901870000105
其中，Gv(s)＝krecpu+kreciu/s，
Gc(s)＝Gi(s)/(Gi(s)+(Lrs+Rr)+H)，
Gvir(s)＝-1/(Db+Gv(s)Uns+H)
步骤2.3：根据得到的前端直流电路传递函数，通过DSP进行处理后得到数据通过SCI通信模块传递给上位机，进而通过计算其奈斯曲线，判断右极点个数，若数目为零，则此前端直流电路稳定，则继续执行步骤3。若个数不为零，则不稳定，跳转至步骤7；
步骤3：根据双有源桥双向DC-DC变换器的拓扑结构构建其Eular-Lagrange数学模型，并根据双有源桥双向DC-DC变换器的数学模型计算其传递函数，进而判断其稳定性；若判别结果为失稳，则判定多端口能源路由器系统为自层级失稳，执行步骤7，否则执行步骤4；
步骤3.1：根据双有源桥双向DC-DC变换器的功率传输控制策略，DAB模块和功率传输控制单移相控制策略通过图3，得到DAB结构功率变换；双有源桥式变换器作为能源路由器中电压等级变换与电气隔离的核心模块，高频变压器变比为n∶1，CH为高压侧直流母线电容(该电容与前端直流电路级直流母线电容为同一电容)，CL为低压侧直流母线电容(该电容与后端交/直流电路级直流母线电容为同一电容)，LT为高频变压器漏感与辅助电感之和，UH为高压侧直流母线电压，UL为低压侧直流母线电压，U12和U34为DAB两侧H桥输出高频斩波电压，iT为高频变压器原侧电流，iL为DAB低压直流侧电流；
步骤3.2：单移相控制策略对于变压器变比约为1时，相对于其他移相控制策略具有更小的电流应力，同时这种控制方案更易于实现，图4为单移相控制中DAB各个开关管的驱动信号以及电压电流示意图。通过对于各段时刻变压器漏感电流及其两端电压分析，可以得出单移相控制下DAB功率传输特性。
对于DAB级功率传输特性的推导，得出DAB高压侧功率关系为：
Figure BDA0002142901870000111
步骤3.3：根据上述所得到DAB功率传递关系，计算电压和电流传递函数，并判断其稳定性，即令上式中Ds＝d(1-d)，则可以推导出DAB低压侧直流环节输出电流为：
Figure BDA0002142901870000112
令
Figure BDA0002142901870000113
则上述公式又可以表示成：
IL＝kDABDs (10)
在DAB级低压侧直流环节，可以写出电容电流方程：
Figure BDA0002142901870000114
根据上述对于DAB的模型方程推导，为了更好地贴合实际，在控制中考虑到一个延时环节Gd(s)＝1/Tss+1，PI环节为Gdabpi(s)＝kdabp+kdabi/s。
由于当负载电流变化时会影响到DAB级低压侧直流电压的调节特性，为了减小或者消除这种影响，在控制器中将负载电流引入前馈控制环节。
前馈环节的传递函数可以写成如下形式：
Figure BDA0002142901870000115
其中，F为前馈系数。
为消除负载电流影响，有：
Figure BDA0002142901870000121
因此负载电流前馈环节的传递函数F则为：
Figure BDA0002142901870000122
将前馈系数取为F＝1/kDAB，由此推导出，引入前馈之前和引入前馈之后的直流母线电压UL和扰动量负载电流iLo的传递函数，分别为：
Figure BDA0002142901870000123
根据所得到DAB传递函数，通过DSP进行处理后得到数据通过SCI通信模块传递给上位机，进而通过计算其奈斯曲线，判断右极点个数，若数目为零，则此DAB稳定，则继续执行步骤4。若个数不为零，判断结果为不稳定，跳转至步骤7；
步骤4：根据后端AC/DC变换器的电路拓扑结构构建其Eular-Lagrange数学模型，并根据后端AC/DC变换器的数学模型计算其传递函数，根据其传递函数的奈斯曲线判定后端AC/DC变换器的稳定性，若判别结果为失稳，则判定多端口能源路由器系统为自层级失稳，并执行步骤7，否则执行步骤5；
步骤4.1：根据实际后端交/直流电路参数构建数学模型。后端交流电路部分拓扑结构如图3，在旋转坐标系下的DC/AC变换级的电感电流数学模型可以表示为：
Figure BDA0002142901870000124
根据数学模型可以看出，dq轴的电气量存在耦合关系，为了消除在控制上的相互影响，确保dq轴进行独立控制，需要在控制器中引入耦合量反馈值，从而消除二者之间的耦合关系。对于电流内环的调节器采用PI控制，确保对DC/AC变换级电流的有效跟踪。如图3所示控制框图，上述方程式可以改写成：
Figure BDA0002142901870000131
在dq坐标系下，系统拓扑层存在着电感电流的耦合关系，因此将耦合量引入到控制层，实现耦合变量的消除。解耦后的DC/AC变换级电流内环控制器模型可以表示为：
Figure BDA0002142901870000132
考虑到采样环节以及驱动环节对控制器的延时影响，同时电压环解耦控制进一步简化为：
Figure BDA0002142901870000133
dq轴电流内环的开环传递函数为：
Figure BDA0002142901870000134
同时，小信号转换函数可以表述如下：
Figure BDA0002142901870000135
对于电压外环，如图3所示，根据相似的分析可知，DC/AC变换器电容电压的数学模型可以表示为：
Figure BDA0002142901870000136
PI控制同样应用于电流控制，公式如下：
Figure BDA0002142901870000141
考虑到外部控制器采样延时以及对称性，电压外环的传递函数可以表示为：
Figure BDA0002142901870000142
步骤4.2：根据所得到后端交/直流电路传递函数，通过主控单元进行处理后得到数据通过SCI通信模块传递给上位机，进而通过计算其奈斯曲线，判断右极点个数，若数目为零，则此后端交/直流电路稳定，则继续执行步骤5。若个数不为零，判断结果为不稳定，跳转至步骤7；
步骤5：通过步骤2-4在确定单项双能流多端口能源路由器的基本三级独立子系统稳定后，在双有源桥双向DC-DC变换器前后级母线处接入多负载及光伏、风机这些新能源设备，进一步确定单项双能流多端口互耦合能源路由器的单体稳定性；由于双有源桥双向DC-DC变换器变换器前后两级具有对称性，下面仅仅对前级稳定性进行详细的讲解；
步骤5.1：在双有源桥双向DC-DC变换器前级处并联n台不同设备，包括负载、储能以及其他光伏、风机新能源设备；同时不考虑负载及光伏装置的独立稳定性；由于存在线路阻抗以及各个装置并联后其输入输出阻抗相互耦合影响，把多端口能源路由器系统中的每一个接口独立看作一个子模块，每两个接口间均存在线路阻抗，利用广义带宽小扰动电流注入器将多接口电路结构等效为镜像频率耦合的戴维南电路；通过构建从接口处向四周延伸的系统整体关系函数矩阵及系统的闭环极点位置进行系统稳定性的判断；
步骤5.1.1：在DC变换器前端的母线处并联n台设备，对应着n个节点，把每个节点设定为均存在电源以及其自身负载并且在任意两个设备的连接线间都存在线路阻抗，其中，设备的输出外特性表现为向外输出能量的称为源设备，输出外特性表现为消耗能量的称为载设备；
本实施例以如图5为m接口设备电路结构示意图为例进行简化分析，图6为设备k的接口结构图，这样的拓扑结构可以推广到如图7所示的n设备中，把每个节点设定为同时存在电源及其自身负载。其中纯负载认为电源提供能量为零，供电系统认为其负载为零，这样可以符合在能量交互过程中源设备和载设备的随时切换。在任意两个设备的连接线间都存在线路阻抗。
步骤5.1.2：针对于单项双能流多端口能源路由器整体稳定性分析，由于外接储能、新能源等直流装置，其稳定性随着接口数目的变化也会随之改变。采用矩阵多分判据(MFC)方法对多端口能源路由器多并联系统进行建模；
首先建立整个多端口能源路由器系统的关系函数矩阵，进而求得系统的闭环极点位置即可判断系统稳定性；针对由n个设备组成多端口能源路由器系统，建立n*n个关系函数组成的关系函数矩阵K(s)，矩阵中第a行b列元素为a和b两个设备间构建的关系函数；步骤5.1.3：采用矩阵多分判据的方法，判定K(s)中每个节点对应的零、极点；将关系函数矩阵表示成两个多项式矩阵之“比”，设定N(s)D-1(s)和A-1(s)B(s)分别为给定关系函数矩阵K(s)的任意不可简约的右MFC和左MFC，其中，N(s)表示给定关系函数矩阵K(s)的任意不可简约的右MFC分子部分，D(s)表示给定关系函数矩阵K(s)的任意不可简约的右MFC分母部分；A(s)表示给定关系函数矩阵K(s)的任意不可简约的右MFC分母部分，B(s)表示给定关系函数矩阵K(s)的任意不可简约的右MFC分子部分；
则K(s)的零极点表示为：K(s)的极点为det D(s)＝0的根或者det A(s)＝0的根；K(s)的零点为使N(s)或B(s)降秩的s值；
步骤5.1.3：对任意节点k的设备进行分析，k＝1，…，n，Vk为节点k电压，iok为前端直流电路输出电流，ilinckj为节点k与节点j之间电流，j＝1，…，n且j≠n，Zloadk为本地负载阻抗，iloadk为本地负载电流，Zlinekj为节点k与节点j之间线路阻抗；如果两个节点间相隔较近，阻抗可忽略，则阻抗为零，导纳为无穷大；
则节点k的本地负载电压及电流描述方程为：
Vk＝Zloadkiloadk
节点k和节点j之间电压电流描述方程为：
Vk-Vj＝Zlinckjilinckj
其中，Vj为节点j处的电压；
节点k上前端直流电路输出电流为：
iok＝Yeqk(GkVk-Vk)
其中，
Figure BDA0002142901870000161
为节点k与节点j之间线路导纳，Zeqk为节点k与节点j之间线路阻抗，Gk为比例系数；
节点k本地负载的电流表达式为：
iloadk＝YloadkVk
其中，
Figure BDA0002142901870000162
为负载导纳，Zloadk为负载阻抗；
节点k流入节点j的电流表达式为：
ilinekj＝Ylinekj(Vk-Vj)
其中，
Figure BDA0002142901870000163
为节点k与节点j之间线路导纳；
由基尔霍夫定律，节点k流入电流等于流出电流，则
Figure BDA0002142901870000164
联立上述公式，得到节点k处的等效阻抗，如下公式所示：
Figure BDA0002142901870000165
其中，
Figure BDA0002142901870000166
将关系函数矩阵K(s)的极点扩展至整个能源路由器及其外接设备系统进行分析，把所有节点处基尔霍夫公式结合组成矩阵形式：
Figure BDA0002142901870000167
Figure BDA0002142901870000168
联立上述两式并化简：
Figure BDA0002142901870000171
其中，
Figure BDA0002142901870000172
Gcli表示电流比例系数，Gclv表示电压比例系数；
矩阵
Figure BDA0002142901870000173
为能源路由器系统的闭环关系函数矩阵K(s)，通过判定K(s)的稳定性即系统的稳定性，进而将K(s)转化为矩阵相乘的形式：
Figure BDA0002142901870000174
即
Figure BDA0002142901870000175
B(s)＝YM1-YM2；
步骤5.2：由秩判据的方法对关系矩阵K(s)进行互质的验证；给定p*p和p*q的多项式矩阵A(s)和B(s)，A(s)为非奇异即满秩矩阵，若rank[A(s)B(s)]＝p，则A(s)和B(s)为左互质。由于
Figure BDA0002142901870000176
和B(s)＝YM1-YM2均为n阶方阵，A(s)为非奇异矩阵，其行列式为关于s的多项式，且rank[A(s)B(s)]＝n，即满足不可简约的左MFC条件，故通过求解
Figure BDA0002142901870000177
的根得到系统的闭环极点；观察闭环极点位于右平面个数，当极点个数为零，则系统稳定，若极点个数不为零，则系统无法稳定；同时根据对极点为零处进行的分析，判断不稳定设备位置，若判别结果为失稳，则判定多端口能源路由器系统为互层级失稳，并执行步骤7，反之则执行步骤6；
步骤6：通过步骤5在确定单项双能流多端口能源路由器单体稳定后，判断集群能源路由器整个系统的稳定性；
步骤6.1：当系统由m台能源路由器混连得到，利用广义带宽小扰动电流注入器得到集群能源路由器系统的输出阻抗矩阵，并利用下式对集群能源路由器系统进行去噪处理得到集群能源路由器系统的导纳矩阵流图；
Figure BDA0002142901870000178
其中，TRi′j′和TGi′j′分别为两台能源路由器间的互阻和互导，i′＝1，…，m，j′＝1，…，m，i′≠j′，Gi′j′和Gj′i′为两台能源路由器从不同的角度分析得到的两组戴维南等效输出导纳矩阵，Zi′j′为第i台能源路由器向第j台能源路由器等效输出阻抗矩阵，
Figure BDA0002142901870000181
为Zi′j′的转置矩阵；本实施例中，通过两组戴维南等效输出导纳矩阵能够得到如图8所示的导纳矩阵流图。
步骤6.2：根据导纳矩阵关联性和系统稳定特性条件，当步骤1-5确定系统自层级和互层级稳定并且下式不存在右极点：
Figure BDA0002142901870000182
则集群双能流多端口能源路由器系统稳定，反之则集群双能流多端口能源路由器系统为能源路由器群层级失稳，执行步骤7，进行集群能源路由器三层阻抗重塑，使得系统达到稳定；
步骤7：如果通过上述步骤2-6辨识得到集群单项双能流多端口能源路由器系统存在失稳结果，则针对步骤2-6不同层次的失稳环节分别采用自调节参数技术、无源耦合阻抗重塑技术和源侧级联阻抗重塑技术使系统稳定；
步骤7.1：针对能源路由器自层级失稳现象，根据下垂系数越小系统稳定性越高的原则，分别利用反正切函数调节单台能源路由器的后端DC变换器中的下垂控制系数，如下式所示，并重新执行步骤1；
Figure BDA0002142901870000183
其中，R表示下垂系数，R0表示初始下垂系数，k1和k2是比例系数，Γ是平移系数；通过降低系统子模块的下垂系数可以提高系统的稳定性，但是随着下垂系数的降低，系统的动态性能将会部分丧失，因此本发明利用反正切函数的特性来缓慢调节系数，经过此自调节参数技术后，系统跳转至步骤1。
步骤7.2：针对能源路由器互层级失稳现象，电源侧级联阻抗控制降低电源侧子系统的阻抗来满足系统的稳定性；将前端DC变换器或双有源桥双向DC-DC变换器等效为广义整流器，其Eular-Largrange模型表示为：
Figure BDA0002142901870000184
其中，Ln，Rn，Cd，Rd分别为广义整流器的前端的等效电感、电阻和后端的等效电容、电阻，udc，id，iq分别为广义整流器直流前端电压和dq轴向电流，ud，uq分别为整流器输出侧的dq轴向电压；Sd和Sq分别表示d-q坐标系下的开关占空比，ω表示多端口能源路由器系统的角速度；
将上式简写为：
Figure BDA0002142901870000195
其中，
Figure BDA0002142901870000191
分别表示多端口能源路由器系统状态变量和终端控制；
多端口能源路由器系统理想的状态变量表示为：
Figure BDA0002142901870000192
其中，udc表示多端口能源路由器系统直流侧电压，xref为理想状态变量，Um为广义整流器的最大输出电压；
构建状态变量误差xe＝xref-x的能量函数为：
Figure BDA0002142901870000193
因此，将广义整流器器的Eular-Largrange模型改写为：
Figure BDA0002142901870000194
为了保证多端口能源路由器系统的误差最后一致收敛到0，引入阻尼注入因子，如下公式所示：
Rdxe＝(R+Rp)xe
其中，Rp表示阻尼注入因子，其为对称正定阻尼矩阵，即
Figure BDA0002142901870000201
其中，rp1-rp3均表示虚拟注入电阻；
通过调节Rp保证李雅普诺夫直接稳定判据，得到如图9所示的能源路由器互层级回稳控制策略；经过此无源耦合阻抗重塑技术后，重新执行步骤5；
步骤7.3：针对能源路由器群层级失稳现象，通过增大电源侧输出导纳矩阵来实现系统的稳定，即降低戴维南等效电路中的输出阻抗值，单体能源路由器稳定的情况下，集群能源路由器由于相互耦合仅会诱发低频振荡和同步失稳，而非全频域失稳，因此设计的虚拟阻抗是特定频域内的阻抗重塑技术，其具体表达式如下公式所示：由于能源路由器具有拓扑对称结构，其互联输出源模块都可以比拟广义逆变器，因此其控制框图如图10所示。
Figure BDA0002142901870000202
其中，(fon-flo，fon+flo)表示失稳频率区间，K表示衰减系数，Zvir表示虚拟阻抗，flo表示频率下限，fon表示频率上限，s表示拉普拉斯乘子；
经过此源侧级联阻抗重塑技术后，重新执行步骤6。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种多端口能源路由器自-互-群多层次稳定辨识与回稳方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：对待检测的单项双能流多端口能源路由器系统进行系统参数初始化；所述系统参数包括能源路由器系统前端DC变换器、双有源桥双向DC-DC变换器、后端AC/DC变换器这三个子系统中的电阻值、电感值、电容值、线路阻抗、开关频率及多接口处储能、光伏设备；
步骤2：根据前端DC变换器的拓扑结构构建其Eular-Lagrange数学模型，并根据前端DC变换器的数学模型计算其传递函数，进而判断多端口能源路由器系统直流前端的稳定性，若判别结果为失稳，则判定多端口能源路由器系统为自层级失稳，并执行步骤7，否则执行步骤3；
步骤3：根据双有源桥双向DC-DC变换器的拓扑结构构建其Eular-Lagrange数学模型，并根据双有源桥双向DC-DC变换器的数学模型计算其传递函数，进而判断其稳定性；若判别结果为失稳，则判定多端口能源路由器系统为自层级失稳，执行步骤7，否则执行步骤4；
步骤4：根据后端AC/DC变换器的电路拓扑结构构建其Eular-Lagrange数学模型，并根据后端AC/DC变换器的数学模型计算其传递函数，根据其传递函数的奈斯曲线判定后端AC/DC变换器的稳定性，若判别结果为失稳，则判定多端口能源路由器系统为自层级失稳，并执行步骤7，否则执行步骤5；
步骤5：通过步骤2-4在确定单项双能流多端口能源路由器的基本三级独立子系统稳定后，在双有源桥双向DC-DC变换器前后级母线处接入多负载及光伏、风机这些新能源设备，进一步确定单项双能流多端口互耦合能源路由器的单体稳定性；若判别结果为失稳，则判定多端口能源路由器系统为互层级失稳，并执行步骤7，反之则执行步骤6；
步骤6：通过步骤5在确定单项双能流多端口能源路由器单体稳定后，判断集群能源路由器整个系统的稳定性；若判断结果为失稳，则集群双能流多端口能源路由器系统为能源路由器群层级失稳，执行步骤7，进行集群能源路由器三层阻抗重塑，使得系统达到稳定；
步骤7：如果通过上述步骤2-6辨识得到集群单项双能流多端口能源路由器系统存在失稳结果，则针对步骤2-6不同层次的失稳环节分别采用自调节参数技术、无源耦合阻抗重塑技术和源侧级联阻抗重塑技术使系统稳定；
步骤7.1：针对能源路由器自层级失稳现象，根据下垂系数越小系统稳定性越高的原则，分别利用反正切函数调节单台能源路由器的后端DC变换器中的下垂控制系数，并重新执行步骤1；
步骤7.2：针对能源路由器互层级失稳现象，电源侧级联阻抗控制降低电源侧子系统的阻抗来满足系统的稳定性；经过此无源耦合阻抗重塑技术后，重新执行步骤5；
步骤7.3：针对能源路由器群层级失稳现象，通过增大电源侧输出导纳矩阵来实现系统的稳定，即降低戴维南等效电路中的输出阻抗值，单体能源路由器稳定的情况下，集群能源路由器由于相互耦合仅会诱发低频振荡和同步失稳，而非全频域失稳，因此设计的虚拟阻抗是特定频域内的阻抗重塑技术；经过此源侧级联阻抗重塑技术后，重新执行步骤6。
2.根据权利要求1所述的多端口能源路由器自-互-群多层次稳定辨识与回稳方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法为：
步骤5.1：在双有源桥双向DC-DC变换器前级处并联n台不同设备，包括负载、储能以及其他光伏、风机新能源设备；同时不考虑负载及光伏装置的独立稳定性；由于存在线路阻抗以及各个装置并联后其输入输出阻抗相互耦合影响，把多端口能源路由器系统中的每一个接口独立看作一个子模块，每两个接口间均存在线路阻抗，利用广义带宽小扰动电流注入器将多接口电路结构等效为镜像频率耦合的戴维南电路；通过构建从接口处向四周延伸的系统整体关系函数矩阵及系统的闭环极点位置进行系统稳定性的判断；
步骤5.1.1：在DC变换器前端的母线处并联n台设备，对应着n个节点，把每个节点设定为均存在电源以及其自身负载并且在任意两个设备的连接线间都存在线路阻抗，其中，设备的输出外特性表现为向外输出能量的称为源设备，输出外特性表现为消耗能量的称为载设备；
步骤5.1.2：采用矩阵多分判据MFC方法对多端口能源路由器多并联系统进行建模；
首先建立整个多端口能源路由器系统的关系函数矩阵，进而求得系统的闭环极点位置即可判断系统稳定性；针对由n个设备组成多端口能源路由器系统，建立n*n个关系函数组成的关系函数矩阵K(s)，矩阵中第a行b列元素为a和b两个设备间构建的关系函数；步骤5.1.3：采用矩阵多分判据的方法，判定K(s)中每个节点对应的零、极点；将关系函数矩阵表示成两个多项式矩阵之“比”，设定N(s)D-1(s)和A-1(s)B(s)分别为给定关系函数矩阵K(s)的任意不可简约的右MFC和左MFC，其中，N(s)表示给定关系函数矩阵K(s)的任意不可简约的右MFC分子部分，D(s)表示给定关系函数矩阵K(s)的任意不可简约的右MFC分母部分；A(s)表示给定关系函数矩阵K(s)的任意不可简约的右MFC分母部分，B(s)表示给定关系函数矩阵K(s)的任意不可简约的右MFC分子部分；
则K(s)的零极点表示为：K(s)的极点为det D(s)＝0的根或者det A(s)＝0的根；K(s)的零点为使N(s)或B(s)降秩的s值；
步骤5.1.3：对任意节点k的设备进行分析，k＝1,…,n，Vk为节点k电压，iok为前端直流电路输出电流，ilinckj为节点k与节点j之间电流，j＝1,…,n且j≠n，Zloadk为本地负载阻抗，iloadk为本地负载电流，Zlinekj为节点k与节点j之间线路阻抗；
则节点k的本地负载电压及电流描述方程为：
Vk＝Zloadkiloadk
节点k和节点j之间电压电流描述方程为：
Vk-Vj＝Zlinckjilinckj
其中，Vj为节点j处的电压；
节点k上前端直流电路输出电流为：
iok＝Yeqk(GkVk-Vk)
其中，
Figure FDA0003936039370000031
为节点k与节点j之间线路导纳，Zeqk为节点k与节点j之间线路阻抗，Gk为比例系数；
节点k本地负载的电流表达式为：
iloadk＝YloadkVk
其中，
Figure FDA0003936039370000032
为负载导纳，Zloadk为负载阻抗；
节点k流入节点j的电流表达式为：
ilinekj＝Ylinekj(Vk-Vj)
其中，
Figure FDA0003936039370000033
为节点k与节点j之间线路导纳；
由基尔霍夫定律，节点k流入电流等于流出电流，则
Figure FDA0003936039370000034
联立上述公式，得到节点k处的等效阻抗，如下公式所示：
Figure FDA0003936039370000035
其中，
Figure FDA0003936039370000036
将关系函数矩阵K(s)的极点扩展至整个能源路由器及其外接设备系统进行分析，把所有节点处基尔霍夫公式结合组成矩阵形式：
Figure FDA0003936039370000041
Figure FDA0003936039370000042
联立上述两式并化简：
Figure FDA0003936039370000043
其中，
Figure FDA0003936039370000044
Gcli表示电流比例系数，Gclv表示电压比例系数；
矩阵
Figure FDA0003936039370000045
为能源路由器系统的闭环关系函数矩阵K(s)，通过判定K(s)的稳定性即系统的稳定性，进而将K(s)转化为矩阵相乘的形式：
Figure FDA0003936039370000046
即
Figure FDA0003936039370000047
B(s)＝YM1-YM2；
步骤5.2：由秩判据的方法对关系矩阵K(s)进行互质的验证；由于
Figure FDA0003936039370000048
和B(s)＝YM1-YM2均为n阶方阵，A(s)为非奇异矩阵，其行列式为关于s的多项式，且rank[A(s)B(s)]＝n，即满足不可简约的左MFC条件，故通过求解
Figure FDA0003936039370000049
的根得到系统的闭环极点；观察闭环极点位于右平面个数，当极点个数为零，则系统稳定，若极点个数不为零，则系统无法稳定；同时根据对极点为零处进行的分析，判断不稳定设备位置，若判别结果为失稳，则判定多端口能源路由器系统为互层级失稳，并执行步骤7，反之则执行步骤6。
3.根据权利要求2所述的多端口能源路由器自-互-群多层次稳定辨识与回稳方法，其特征在于：所述步骤6的具体方法为：
步骤6.1：当系统由m台能源路由器混连得到，利用广义带宽小扰动电流注入器得到集群能源路由器系统的输出阻抗矩阵，并利用下式对集群能源路由器系统进行去噪处理得到集群能源路由器系统的导纳矩阵流图；
Figure FDA0003936039370000051
其中，TRi′j′和TGi′j′分别为两台能源路由器间的互阻和互导，i′＝1,…,m,j′＝1,…,m,i′≠j′，由于两台能源路由器从不同的角度分析，将会得到Gi′j′和Gj′i′为两台能源路由器从不同的角度分析得到的两组戴维南等效输出导纳矩阵，Zi′j′为第i台能源路由器向第j台能源路由器等效输出阻抗矩阵，
Figure FDA0003936039370000054
为Zi′j′的转置矩阵；
步骤6.2：根据导纳矩阵关联性和系统稳定特性条件，当步骤1-5确定系统自层级和互层级稳定并且下式不存在右极点：
Figure FDA0003936039370000052
则集群双能流多端口能源路由器系统稳定，反之则集群双能流多端口能源路由器系统为能源路由器群层级失稳，执行步骤7，进行集群能源路由器三层阻抗重塑，使得系统达到稳定。
4.根据权利要求3所述的多端口能源路由器自-互-群多层次稳定辨识与回稳方法，其特征在于：步骤7.1所述利用反正切函数调节单台能源路由器的后端DC变换器中的下垂控制系数，如下式所示：
Figure FDA0003936039370000053
其中，R表示下垂系数，R0表示初始下垂系数，k1和k2是比例系数，Γ是平移系数。
5.根据权利要求4所述的多端口能源路由器自-互-群多层次稳定辨识与回稳方法，其特征在于：步骤7.2所述电源侧级联阻抗控制降低电源侧子系统的阻抗来满足系统的稳定性的具体方法为：
将前端DC变换器或双有源桥双向DC-DC变换器等效为广义整流器，其Eular-Largrange模型表示为：
Figure FDA0003936039370000061
其中，Ln,Rn,Cd,Rd分别为广义整流器的前端的等效电感、电阻和后端的等效电容、电阻，udc,id,iq分别为广义整流器直流前端电压和dq轴向电流，ud,uq分别为整流器输出侧的dq轴向电压；Sd和Sq分别表示d-q坐标系下的开关占空比，ω表示多端口能源路由器系统的角速度；
将上式简写为：
Figure FDA0003936039370000062
其中，
Figure FDA0003936039370000063
分别表示多端口能源路由器系统状态变量和终端控制；
多端口能源路由器系统理想的状态变量表示为：
Figure FDA0003936039370000064
其中，udc表示多端口能源路由器系统直流侧电压，xref为理想状态变量，Um为广义整流器的最大输出电压；
构建状态变量误差xe＝xref-x的能量函数为：
Figure FDA0003936039370000065
因此，将广义整流器器的Eular-Largrange模型改写为：
Figure FDA0003936039370000066
为了保证多端口能源路由器系统的误差最后一致收敛到0，引入阻尼注入因子，如下公式所示：
Rdxe＝(R+Rp)xe
其中，Rp表示阻尼注入因子，其为对称正定阻尼矩阵，即
Figure FDA0003936039370000071
其中，rp1-rp3均表示虚拟注入电阻；
通过调节Rp保证李雅普诺夫直接稳定判据，得到能源路由器互层级回稳控制策略。
6.根据权利要求5所述的多端口能源路由器自-互-群多层次稳定辨识与回稳方法，其特征在于：步骤7.3所述特定频域内的阻抗重塑技术的具体表达式如下公式所示：
Figure FDA0003936039370000072
其中，(fon-flo,fon+flo)表示失稳频率区间，K表示衰减系数，Zvir表示虚拟阻抗，flo表示频率下限，fon表示频率上限，s表示拉普拉斯乘子。
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