CN110445440A

CN110445440A - 基于扩张状态观测器的虚拟直流电机控制方法及存储介质

Info

Publication number: CN110445440A
Application number: CN201910753779.7A
Authority: CN
Inventors: 李俊杰; 周婧婧; 李哲; 吴高翔
Original assignee: Beijing Zeming New Energy Technology Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Chongqing Electric Power Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC
Current assignee: Beijing Zeming New Energy Technology Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Chongqing Electric Power Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC
Priority date: 2019-08-15
Filing date: 2019-08-15
Publication date: 2019-11-12

Abstract

本发明公开了一种基于扩张状态观测器的虚拟直流电机控制方法及存储介质，所述方法包括如下步骤：建立虚拟直流电机模型，并基于所述电机模型建立虚拟直流电机控制流程；通过扩张状态观测器进行负荷扰动估计，根据估计结果对所述虚拟直流电机控制流程进行补偿以实现虚拟直流电机控制。本发明方法将扩张状态观测器引入至虚拟直流电机控制中，通过扩张状态观测器估计并补偿负载扰动，使得负载突变时直流母线电压仍保持在给定值，实现直流母线电压在负载突变时保持恒定。

Description

基于扩张状态观测器的虚拟直流电机控制方法及存储介质

技术领域

本发明涉及直流微电网技术领域，特别是一种基于扩张状态观测器的虚拟直流电机控制方法及存储介质。

背景技术

随着新能源并网的发展，以及直流负荷占比的增加，直流微网得到了越来越多的关注。直流微网虽可省去部分交直流变换设备，减少成本，降低损耗，无频率相位、趋肤效应等问题，但由于新能源发电与负荷的随机波动性，直流微网母线电压与负荷侧电压会不可避免地出现波动。直流母线电压稳定是衡量直流微网功率平衡以及电能质量的唯一指标。因此，在新能源发电与负荷随机波动的前提下如何保持直流母线电压与负荷侧电压稳定成为了亟需解决的问题。

为保持直流母线电压与负荷侧电压稳定，解决电力电子变换器的快速性所造成的无惯量问题，虚拟直流电机(VDG)技术被提了出来。虚拟直流电机技术目前已有少量研究成果，主要思路为：其一，将虚拟直流电机控制技术应用于负荷侧，通过控制直流母线电压稳定进而使得负荷侧电压稳定，可实现较好的控制性能，但由于新能源发电的随机波动性，直流母线电压波动在所难免，通过控制母线电压稳定而使得负荷电压稳定将不再容易；其二，在方案设计中，直流部分采用虚拟直流发电机与虚拟直流电动机控制，结果表明该控制算法可达到较好的控制效果。但该控制方案中虚拟直流电动机的电流给定值通过变换器端口功率平衡给定，未考虑变换器自身能量损耗所造成的影响，所以该思路在控制性能方面仍有一些不足。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种基于扩张状态观测器的虚拟直流电机控制方法及存储介质，将扩张状态观测器引入至虚拟直流电机控制中，通过扩张状态观测器估计并补偿负载扰动，使得负载突变时直流母线电压仍保持在给定值，实现直流母线电压在负载突变时保持恒定。

本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，一种基于扩张状态观测器的虚拟直流电机控制方法，所述方法包括如下步骤：

建立虚拟直流电机模型，并基于所述电机模型建立虚拟直流电机控制流程；

通过扩张状态观测器进行负荷扰动估计，根据估计结果对所述虚拟直流电机控制流程进行补偿以实现虚拟直流电机控制。

可选的，所述建立虚拟直流电机模型包括：

建立虚拟直流电机电枢回路电动势平衡方程，满足：

E＝U+IR_a

其中，E表示虚拟直流电机的电枢电压，U表示机端电压；R_a表示电枢电阻，I表示回路电流；

建立虚拟直流电机机械方程，满足：

其中，H表示虚拟直流电机的惯性时间常数，T_e表示虚拟直流电机的电磁转矩，T_m表示虚拟直流电机的机械转矩，D表示阻尼系数，ω表示虚拟直流电机的机械角速度，ω₀表示虚拟直流电机的额定机械角速度。

可选的，所述基于所述电机控制模型建立虚拟直流电机控制流程，包括：

基于虚拟直流电机模型与DC/DC变换器等效的二端口网络构建虚拟直流电机控制模型；

通过虚拟直流电机机械方程与电动势平衡方程计算获得虚拟直流电机控制模型的端口电流给定值；

基于所述端口电流给定值建立虚拟直流电机控制流程。

可选的，所述通过扩张状态观测器进行负荷扰动估计，包括：

构建扩张状态观测器，满足：

其中，其中，A、B、C、Y、L均表示扩张状态观测器参数，Z表示所构建的系统的状态变量，U表示原系统的输入量；

根据所述扩张状态观测器进行负荷扰动估计，满足：

其中，z₁表示扰动估计状态变量，z₂表示负载扰动的估计值，l₁、l₂表示与原系统不同状态变量对应的取值，x₁＝ω。

可选的，在通过扩张状态观测器进行负荷扰动估计之后，所述方法还包括：

建立误差方程，满足：

err＝Z-X

其中，err表示通过所构建的系统与原系统之间的状态变量的误差，X表示原系统状态变量，X＝[x₁,x₂]^T；

对所述误差方程进行拉氏变换并进行整理后获得特征多项式；

基于所述特征多项式选取参数矩阵使得误差方程趋近于0；

构建fal函数对所述误差方程进行跟踪，满足：

其中，e为ESO跟踪误差，α、δ均为选定参数。

可选的，所述根据估计结果对所述虚拟直流电机控制流程进行补偿以实现虚拟直流电机控制，包括：

根据误差跟踪结果对负荷扰动估计进行调整，满足：

其中，β₀₁与β₀₂均为所选定的ESO控制参数；

将负载扰动的估计值作为虚拟直流电机的转矩补偿进行虚拟直流电机控制。

本发明的目的之二是通过这样的技术方案实现的，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现前述的方法的步骤。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明方法将扩张状态观测器引入至虚拟直流电机控制中，通过扩张状态观测器估计并补偿负载扰动，使得负载突变时直流母线电压仍保持在给定值，实现直流母线电压在负载突变时保持恒定。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明第一实施例流程图；

图2为本发明第一实施例虚拟直流电机模型示意图；

图3为本发明第一实施例接口电路图；

图4为本发明第一实施例虚拟直流电机控制框图；

图5为本发明第一实施例含有扩张状态观测器的虚拟直流电机控制框图；

图6为本发明第一实施负荷突变时直流母线电压响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

本发明第一实施例提出一种基于扩张状态观测器的虚拟直流电机控制方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：

本发明方法将扩张状态观测器引入至虚拟直流电机控制中，通过扩张状态观测器估计并补偿负载扰动，使得负载突变时直流母线电压仍保持在给定值，实现直流母线电压在负载突变时保持恒定。

可选的，在本实施例中，所述建立虚拟直流电机模型包括：

建立虚拟直流电机电枢回路电动势平衡方程，满足：

E＝U+IR_a

建立虚拟直流电机机械方程，满足：

具体的说，电力电子变换器的快速性使得直流母线电压以及负荷电压在受到扰动后迅速变化，最终导致电能质量下降。虚拟直流电机具有惯量特性与阻尼阻性，本发明方法将虚拟直流电机的机械方程与电动势平衡方程应用到直流变换器的控制当中，使得直流变换器的端口表现出虚拟直流电机的惯量特性与阻尼特性，从而应对扰动引起的电压突变，提高电能质量。

首先建立虚拟直流电机模型，如图2所示为虚拟直流电机模型，则有：

虚拟直流电机电枢回路的电动势平衡方程，满足：

E＝U+IR_a (1)

式中，E为虚拟直流电机的电枢电压，E＝C_TΦω，其中C_T为转矩系数，Φ为磁通，在本实施例中C_TΦ的取值可以选5.1，ω为虚拟直流电机的机械角速度；U为机端电压；R_a为电枢电阻。

虚拟直流电机电磁功率满足：

P＝EI (2)

电磁转矩满足：

对于虚拟直流电机，其机械方程满足：

式中：H为虚拟直流电机的惯性时间常数；T_e和T_m分别为虚拟直流电机的电磁和机械转矩；D为阻尼系数；ω₀为虚拟直流电机的额定机械角速度。

可选的，在本发明一个可选的实施例中，所述基于所述电机控制模型建立虚拟直流电机控制流程，包括：

基于所述端口电流给定值建立虚拟直流电机控制流程。

具体的，在本实施例中可以将DC/DC变换器等效为一个二端口网络，对于虚拟直流电机模型，如图3所示，端口U1、I1接于新能源电源，端口U2、I2接于直流母线。经过图4所示的控制，DC/DC变换器的输出端可表现出虚拟直流电机的下垂特性与动态特性。

结合式(1)～(4)，给出虚拟直流电机控制框图，图3为接口电路图，该接口电路可实现升降压变换，便于不同电压等级之间的变换。参见图4，本实施例中将直流变换器端口电压给定值U2ref与实测值U2做差，再经PI控制器后将所得值作为电流值，电流值与端口电压给定值U2ref相乘得到机械功率Pm，与虚拟直流电机额定转速相除后得到机械转矩Tm。再经虚拟直流电机机械方程与电动势平衡方程计算后得到端口电流给定值Iref，后经PI控制环节与调制环节控制直流变换器的开关管，实现虚拟直流电机的控制目的。其中，惯量时间常数H与阻尼系数D为虚拟直流电机控制中可调的控制参数，根据实际接入的电源与负荷的响应时间来选择。

可选的，在本发明又一个可选的实施例中，所述通过扩张状态观测器进行负荷扰动估计，包括：

构建扩张状态观测器，满足：

其中，其中，A、B、C、Y、L均表示扩张状态观测器参数Z表示以扩张状态观测器构建的系统的状态变量，以此Z可近似的估计出原系统的所有状态变量；U表示原系统的输入量；

根据所述扩张状态观测器进行负荷扰动估计，满足：

其中，z₁表示扰动估计状态变量，z₂表示负载扰动的估计值，l₁、l₂表示与原系统不同状态变量对应的取值，x₁＝ω，具体的，z₁、z₂分别对应原系统不同状态变量X1、X2；L为构建新系统的参数，具体值的要求是能使矩阵(A-LC)稳定即可；l₁、l₂为不同X1、X2对应的取值。

考虑到实际工程应用中负载扰动的不可预测性，本实施例中将扩张状态观测器(Extended state observer，ESO)引入对虚拟直流电机的控制中。通过ESO估计负载扰动，并将负载扰动作为补偿项对虚拟直流电机的转矩进行补偿，使得虚拟直流电机在受到负载突变扰动时输出端电压进一步保持稳定。

具体的说，对于式(4)，令x₁＝ω，并令扰动项为x₂，所以有：

式中，w(t)为系统受到的扰动总和的实时作用量。

构建扩张状态观测器，满足：

其中C＝[1 0]，Y＝[x₁ 0]^T，L＝[l₁ l₂]^T为ESO参数。将式(6)展开可得：

式(7)即为本实施例中针对虚拟直流电机系统所设计的ESO。

可选的，在本发明又一个可选的实施例中，在通过扩张状态观测器进行负荷扰动估计之后，所述方法还包括：

建立误差方程，满足：

err＝Z-X

基于所述特征多项式选取参数矩阵使得误差方程趋近于0；

构建fal函数对所述误差方程进行跟踪，满足：

其中，e为ESO跟踪误差，α、δ均为选定参数。

具体的说，上述方案可表述为：

设err＝Z-X，X＝[x₁ x₂]，则当系统稳定工作时，x₂为常数，所以w(t)＝0。

式(7)与式(5)相减可得误差方程如下：

将式(8)经拉氏变换后有

将式(9)整理后可得特征多项式

s²+l₁s+l₂＝0 (10)

基于上述特征多项式可知，可以选取参数矩阵L，使得L满足：

就有err→0，即

由式(12)可知，通过选取合适的参数矩阵L，可实现err→0，从而Z→X。

为了提高ESO的状态跟踪效率，在本实施例中的ESO中使用fal函数，满足：

式中e为ESO跟踪误差，α、δ均为所选参数。

可选的，在前述实施例的基础上，所述根据估计结果对所述虚拟直流电机控制流程进行补偿以实现虚拟直流电机控制，包括：

根据误差跟踪结果对负荷扰动估计进行调整，满足：

其中，β₀₁与β₀₂均为所选定的ESO控制参数；

具体的说，根据跟踪误差将则式(7)改写为

式中β₀₁与β₀₂均为所选定的ESO控制参数。含有ESO的虚拟直流电机控制框图如图5所示，图中z₂即为对负载扰动的估计值，可以将z₂作为虚拟直流电机转矩补偿项进行补偿，可使得虚拟直流电机能够更好地应对负载突变，实现更小的母线电压跌落。

图6所示为含有ESO时负载突变电压响应仿真对比图，在本实施例中，设定负载在2s时突增，3.5s时突减。参见图6可知，无论负载突增或者突减，含有ESO的虚拟直流电机均能够较好地保持直流母线电压给定值600V，而常规虚拟直流电机却避免不了电压跌落与上升。

根据仿真结果可知，本发明的控制方法可有效地抑制由新能源出力的随机波动所引起的直流电压波动，且抑制效果随着惯量时间常数H的增大而变好。通过将扩张状态观测器引入至虚拟直流电机控制中，使得直流母线电压在负载突变时仍能较好保持在给定值，有效支撑直流配电系统的稳定运行。

基于上述技术方案，本发明具有如下优点

1.本发明方法提出了一种虚拟直流电机控制方法：通过将虚拟直流电机的机械方程应用至对电能变换器的控制中，使得电能变换器表现出虚拟直流电机的外特性，具有一定的惯量，从而抵御新能源发电的随机波动造成的直流母线电压波动，提高直流微电网的电能质量。

2.本发明方法结合扩张状态观测器的虚拟直流电机控制方法：本发明方法的扩张状态观测器能够根据系统的输入与输出估计系统受到的随机扰动，从而通过一定的补偿措施消除随机扰动对系统造成的不良影响。本专利将扩张状态观测器引入至虚拟直流电机的控制中，本发明方法通过扩张状态观测器对系统受到的负载扰动进行估计，并将估计所得的负载扰动作为转矩进行补偿，进而在一定程度上消除了负载扰动对系统造成的影响，使得在负载发生突变时直流母线电压仍能保持稳定。

3.基于本发明方法，能够分别在新能源电源随机波动、负载突变的情况下，维持了直流母线电压的稳定，提高直流微电网的电能质量。

第二实施例

在第一实施例的基础上，本发明第二实施例提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现前述的方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种基于扩张状态观测器的虚拟直流电机控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立虚拟直流电机模型包括：

建立虚拟直流电机电枢回路电动势平衡方程，满足：

E＝U+IR_a

建立虚拟直流电机机械方程，满足：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述电机控制模型建立虚拟直流电机控制流程，包括：

基于所述端口电流给定值建立虚拟直流电机控制流程。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过扩张状态观测器进行负荷扰动估计，包括：

构建扩张状态观测器，满足：

其中，A、B、C、Y、L均表示扩张状态观测器参数，Z表示表示所构建的系统的状态变量，U表示原系统的输入量；

根据所述扩张状态观测器进行负荷扰动估计，满足：

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在通过扩张状态观测器进行负荷扰动估计之后，所述方法还包括：

建立误差方程，满足：

err＝Z-X

基于所述特征多项式选取参数矩阵使得误差方程趋近于0；

构建fal函数对所述误差方程进行跟踪，满足：

其中，e为ESO跟踪误差，α、δ均为选定参数。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据估计结果对所述虚拟直流电机控制流程进行补偿以实现虚拟直流电机控制，包括：

根据误差跟踪结果对负荷扰动估计进行调整，满足：

其中，β₀₁与β₀₂均为所选定的ESO控制参数；

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。