CN110829406B - 一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法 - Google Patents

一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110829406B
CN110829406B CN201911244242.4A CN201911244242A CN110829406B CN 110829406 B CN110829406 B CN 110829406B CN 201911244242 A CN201911244242 A CN 201911244242A CN 110829406 B CN110829406 B CN 110829406B
Authority
CN
China
Prior art keywords
direct
observer
grid
adaptive
hamilton
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911244242.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110829406A (zh
Inventor
吴忠强
王云青
赵德隆
刘重阳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yanshan University
Original Assignee
Yanshan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yanshan University filed Critical Yanshan University
Priority to CN201911244242.4A priority Critical patent/CN110829406B/zh
Publication of CN110829406A publication Critical patent/CN110829406A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110829406B publication Critical patent/CN110829406B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)

Abstract

一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法，包括以下步骤：根据直流微电网的结构图，建立直流微电网的数学模型，并将其转换为PCH模型；在保证闭环系统在平衡点是稳定的条件下，求取合适的反馈控制器u1；引入哈密顿自适应观测器，设计出反馈控制律u2，最终整个微电网系统的控制器设计为u1+u2；将有自适应状态观测器与无自适应状态观测器的两种控制方法的控制效果做出对比。结果验证本方法既可实现对直流微电网可变参数的观测，又可通过自适应调整控制器消除系统易变参数干扰，解决了直流微电网系统参数变化影响控制效果等问题，保证直流微电网母线电压的稳定性，易于工程实现。

Description

一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法
技术领域
本发明涉及微电网控制领域，尤其涉及一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法。
背景技术
分布式发电是新能源发展的主要方向，微电网是整合分布式能源的有效手段之一，是电力系统中的重要组成部分。研究微电网可再生新能源技术可有效解决当今社会的能源匮乏和生态环境污染问题。而微电网主要有直流、交流和交直流3种运行方式，相比之下，直流微电网具有不需要无功功率、频率和相位控制等优点，利于直流分布式电源(光伏、燃料电池)、储能设备(蓄电池，超级电容)及直流负荷的接入，而且降低了传统的功率损耗和控制复杂度。直流微电网母线电压是否稳定是衡量直流微电网电能质量的主要指标，因此研究直流微电网母线电压的稳定控制具有重要意义。
直流微电网中包含大量电力电子器件，其运行的主要特点是恒功率负载运行。电力电子装置含有多种不确定性因素，如参数不确定和外部干扰等，因此需要设计有效的控制方案解决这一问题。为实现直流微电网母线电压的精确控制，保证直流微电网的稳定运行，越来越多的非线性控制方法及多种控制方法的结合不断地应用到微电网中。
近几年哈密顿系统理论成为研究非线性系统的重要工具，在这类系统中，哈密顿(Hamiltonian)函数是系统的总能量(动能与势能之和)，它的最大优点是能够成李雅普诺夫(Lyapunov)函数，从而简化控制器的设计，使得稳定性分析简单。端口受控哈密顿PCH(Port Controlled Hamiltonian，PCH)系统，是基于能量观点的控制策略，近年来在国内外受到高度重视。实际中，许多工程系统的动态模型是依据系统的能量函数建立的。通常认为动态系统是能量变换装置，哈密顿反馈控制可以通过能量成形的方法使得系统运行在期望的平衡点。哈密顿自适应状态观测器是一种新的状态-参数估计方法，可解决直流微电网系统参数变化影响控制效果的问题，保证直流微电网母线电压的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过引入端口受控哈密顿PCH(PortControlledHamiltonian，PCH)自适应观测器对系统参数进行观测，并代入已设计的控制器中，进而消除易变参数对微电网系统的影响等问题的一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法。
本发明采用的技术手段如下：
本发明所提出的一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法，该方法包括以下步骤：S1、建立直流微电网的系统结构图，按buck-boost变换器建立系统的等效拓扑结构，列写出直流微电网的状态方程，将状态方程进行PCH(Port ControlledHamiltonian，PCH)模型转换；S2、设计基于PCH系统的直流微电网控制器，根据相关定理，在保证闭环系统平衡点稳定的条件下，求取合适的反馈控制器u1；S3、在直流微电网系统运行过程中，其系统参数C、L会发生变化，设计基于哈密顿系统自适应状态观测器的反馈控制器u2，可得到1个耗散的PCH系统，既能对系统状态进行观测，又可对系统易变化的参数进行自适应估计；最终设计直流微电网控制系统的控制器为u1+u2；S4、最后验证采用哈密顿自适应观测器的控制方法在微电网系统参数变化的情况下，仍能保持系统直流母线电压的稳定性。
进一步的，所述步骤S1中，首先建立直流微电网的系统结构图；其次按buck-boost变换器建立系统的等效拓扑结构，其器件构成包括蓄电池电压源、电感、电容、续流二极管、负载电阻与等效恒功率负荷(即通过相应变流器接入直流母线的直流负载1、由风电和光伏系统组成的分布式电源输出及双向DC-AC变流器输出功率之和)；最后根据buck-boost变换器得到系统的状态方程并将状态方程进行PCH模型转换。
进一步的，所述步骤S2中，为使得系统被控制到平衡点，求取合适的反馈控制器u1，即根据有关定理确定微电网控制系统的期望平衡点，求取待定参数的关系，通过整定相关参数得到合适的反馈控制器u1。
进一步的，所述步骤S3中，采用基于哈密顿系统的自适应状态观测器的方法对状态进行观测，并同时对系统易变化的参数进行自适应估计。设计过程包括设计直流微电网系统的自适应状态观测器、根据“扩张+反馈”的思想证明前面所设计的自适应状态观测器表示系统的一个自适应状态观测器、为得到1个耗散的PCH系统，可设计仅依赖于
Figure BDA0002307067610000031
和
Figure BDA0002307067610000032
的反馈控制律u2，最后证明系统是一个耗散的PCH系统。直流微电网控制系统的控制器设计为u1+u2。
进一步的，所述步骤S4中，在微电网控制系统参数设定和发生变化的两种情况下，验证采用自适应状态观测器的控制效果，并与无自适应观测器的控制方法做出对比，最后得出采用哈密顿自适应状态观测器的控制方法的有效性。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本方法中哈密顿函数能够成李雅普诺夫(Lyapunov)函数，从而简化控制器的设计，使得稳定性分析简单。
2、本方法中不仅通过哈密顿自适应观测器实现了对直流微电网可变参数的观测，而且通过自适应调整控制器解决了直流微电网系统参数变化影响控制效果的问题，保证了直流微电网母线电压的稳定性，且易于工程实现。
具体实施方式
本发明所提出的一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法的具体实施步骤如下：
步骤S1，首先建立直流微电网的系统结构图；其次按buck-boost变换器建立系统的等效拓扑结构，其器件构成包括蓄电池电压源、电感、电容、续流二极管、负载电阻与等效恒功率负荷(即通过相应变流器接入直流母线的直流负载1、由风电和光伏系统组成的分布式电源输出及双向DC-AC变流器输出功率之和)；最后根据buck-boost变换器得到系统的状态方程并将状态方程进行PCH模型转换，其状态方程为：
Figure BDA0002307067610000041
式中,E为输入电压；σ为驱动信号；L为电感；C为电容；Φ(t)为电感磁通；q(t)为电容电量；R为负载电阻；PCPL为等效的恒功率负荷。
基于上述微电网buck-boost系统模型，可将其转换为PCH系统模型：
定义微电网系统的状态变量为：x＝[x1 x2]T＝[Φ(t)q(t)]T，则上述模型表达式可列写为：
Figure BDA0002307067610000042
定义系统的能量函数为：
Figure BDA0002307067610000043
则系统的PCH模型为：
Figure BDA0002307067610000044
式中，x∈Rn为状态变量，
Figure BDA0002307067610000045
为输入信号；y∈R2为输出信号；
Figure BDA0002307067610000046
为半正定对称矩阵,R(x)＝RT(x)≥0，反映了端口上的附加阻性结构；
Figure BDA0002307067610000047
为反对称矩阵，J(x)＝-JT(x)，反映了系统内部的互联结构；
Figure BDA0002307067610000048
Figure BDA0002307067610000049
为系统的可变参数。
步骤S2，设计基于PCH系统的直流微电网控制器，根据相关定理，在保证闭环系统平衡点稳定的条件下，求取合适的反馈控制器u1；为使得系统被控制到平衡点，求取合适的反馈控制器u1，即根据有关定理确定微电网控制系统的期望平衡点，求取待定参数的关系，通过整定相关参数得到合适的反馈控制器u1，主要根据互联和阻尼分配等无源控制方法设计控制器，具体设计方法为：找到微电网PCH系统渐近稳定的期望平衡点x0，构造一个加入反馈控制后的闭环期望能量函数Hd(x)，使得它在x0处取极小值，即对于x0的一个领域内任意x≠x0，有Hd(x)>Hd(x0)。然后寻找反馈控制u1。
根据步骤S1中微电网控制系统的模型表达式，可以求得系统平衡点(期望轨迹)为
Figure BDA0002307067610000051
式中UC为电容电压(母线电压)的稳态值，
Figure BDA0002307067610000052
为稳态时的期望驱动信号。
先不考虑可变参数项g(x)ΦTθ，直流微电网PCH系统模型为：
Figure BDA0002307067610000053
假设反馈控制u1满足：
u1＝α(x)
使闭环系统为
Figure BDA0002307067610000054
Jd(x,u1)和Rd分别为期望的互联和阻尼矩阵，且有
Figure BDA0002307067610000055
Ra(x),Ja(x)和K(x)满足偏微分方程
Figure BDA0002307067610000061
取
Figure BDA0002307067610000062
其中，k,r1,r2分别为待定的互联和阻尼参数。
可推导r1、r2和k系统平衡点三个参数的关系为
Figure BDA0002307067610000063
由上式可知任何一个参数均可用另外两个参数来表示，因此只需整定任意两个参数即可求取理想的控制器u1。
步骤S3，采用基于哈密顿系统的自适应状态观测器的方法对状态进行观测，并同时对系统易变化的参数进行自适应估计。设计过程包括设计直流微电网系统的自适应状态观测器、根据“扩张+反馈”的思想证明前面所设计的自适应状态观测器表示系统的一个自适应状态观测器、为得到1个耗散的PCH系统，可设计仅依赖于
Figure BDA0002307067610000064
和
Figure BDA0002307067610000065
的反馈控制律u2，最后证明系统是一个耗散的PCH系统，既能对系统状态进行观测，又可对系统易变化的参数进行自适应估计；最终设计直流微电网控制系统的控制器为u1+u2。
设计PCH控制系统的反馈控制器u2的步骤如下：
设计自适应状态观测器，表达式为
Figure BDA0002307067610000066
式中：0<Q∈R2×2为自适应增益矩阵；
Figure BDA0002307067610000067
为θ的估计；设计自适应观测器加入控制为
Figure BDA0002307067610000068
最终整个微电网系统的控制器设计为u＝u1+u2。
步骤S4，最后验证采用哈密顿自适应观测器的控制方法在微电网系统参数变化的情况下，仍能保持系统直流母线电压的稳定性，其验证过程如下：分别在直流微电网系统中有参数变化和无参数变化的两种情况下分析有自适应状态观测器和无自适应状态观测器的控制效果，最后得到微电网母线电压输出曲线，并判断出控制方法的有效性。
以上所述的各实施例仅用于说明本发明技术方案，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，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、建立直流微电网的系统结构图，按buck-boost变换器建立系统的等效拓扑结构，列写出直流微电网的状态方程，将状态方程进行PCH模型转换；
S2、设计基于PCH系统的直流微电网控制器，在保证闭环系统平衡点稳定的条件下，求取合适的反馈控制器u1；
S3、在直流微电网系统运行过程中，其系统参数C、L会发生变化，设计基于哈密顿系统自适应状态观测器的反馈控制器u2，可得到1个耗散的PCH系统，既能对系统状态进行观测，又可对系统易变化的参数进行自适应估计；最终设计直流微电网控制系统的控制器为u1+u2；
S4、最后验证采用哈密顿自适应观测器的控制方法在微电网系统参数变化的情况下，仍能保持系统直流母线电压的稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，首先建立直流微电网的系统结构图；其次按buck-boost变换器建立系统的等效拓扑结构，其器件构成包括蓄电池电压源、电感、电容、续流二极管、负载电阻与等效恒功率负荷；最后根据buck-boost变换器得到系统的状态方程并将状态方程进行PCH模型转换。
3.根据权利要求2所述的一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，采用基于哈密顿系统的自适应状态观测器的方法对状态进行观测，并同时对系统易变化的参数进行自适应估计；设计过程包括设计直流微电网系统的自适应状态观测器、根据“扩张+反馈”的思想证明前面所设计的自适应状态观测器表示系统的一个自适应状态观测器、为得到1个耗散的PCH系统，可设计仅依赖于
Figure FDA0004128670620000011
和
Figure FDA0004128670620000012
的反馈控制律u2，最后证明系统是一个耗散的PCH系统；直流微电网控制系统的控制器设计为Φ(t)。
4.根据权利要求3所述的一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法，其特征在于：所述步骤S4中，在微电网控制系统参数设定和发生变化的两种情况下，验证采用自适应状态观测器的控制效果，并与无自适应观测器的控制方法做出对比，最后得出采用哈密顿自适应状态观测器的控制方法的有效性。
CN201911244242.4A 2019-12-06 2019-12-06 一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法 Active CN110829406B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911244242.4A CN110829406B (zh) 2019-12-06 2019-12-06 一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911244242.4A CN110829406B (zh) 2019-12-06 2019-12-06 一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110829406A CN110829406A (zh) 2020-02-21
CN110829406B true CN110829406B (zh) 2023-04-18

Family

ID=69545067

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911244242.4A Active CN110829406B (zh) 2019-12-06 2019-12-06 一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110829406B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111525581B (zh) * 2020-06-02 2023-07-04 上海电力大学 含不平衡负载微电网系统的电压控制方法
CN112234609B (zh) * 2020-09-30 2023-07-25 云南电网有限责任公司 基于电力系统随机动力学模型的非线性励磁控制方法
CN113346779B (zh) * 2021-05-25 2022-11-18 上海电力大学 一种模块化多电平变换器并网电流无源控制方法
CN114035435B (zh) * 2021-11-24 2023-08-08 青岛大学 基于能量成型和阻尼注入的多容液位新型哈密顿控制系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106451470A (zh) * 2016-12-05 2017-02-22 上海电力学院 电网电压不平衡时双馈电机的网侧变流器控制方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8946929B2 (en) * 2011-11-04 2015-02-03 Honeywell International Inc. Method and apparatus for effective utilization of energy storage components within a microgid

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106451470A (zh) * 2016-12-05 2017-02-22 上海电力学院 电网电压不平衡时双馈电机的网侧变流器控制方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于ESO-Backstepping的直流微电网母线电压稳定控制;吴忠强等;《电力系统保护与控制》(第08期);全文 *
基于线性状态反馈的直流微电网稳定方法;杨忠林等;《电力自动化设备》(第11期);全文 *
独立直流微电网中燃料电池与超级电容的功率协调控制;杨帆等;《电力自动化设备》(第10期);全文 *
考虑通信延时的不确定直流微电网H_∞控制器设计;邓玮等;《电网技术》(第12期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110829406A (zh) 2020-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110829406B (zh) 一种基于哈密顿观测器的直流微电网母线电压控制方法
Xu et al. An offset-free composite model predictive control strategy for DC/DC buck converter feeding constant power loads
Lin et al. An integral droop for transient power allocation and output impedance shaping of hybrid energy storage system in DC microgrid
Yang et al. Disturbance observer based fractional-order integral sliding mode frequency control strategy for interconnected power system
Zhang et al. Decentralized coordination and stabilization of hybrid energy storage systems in DC microgrids
Xu et al. A robust droop-based autonomous controller for decentralized power sharing in DC microgrid considering large-signal stability
Al-Saedi et al. Power flow control in grid-connected microgrid operation using Particle Swarm Optimization under variable load conditions
Zeng et al. An interconnection and damping assignment passivity-based controller for a DC–DC boost converter with a constant power load
Liu et al. Stability issues of $ Z+ Z $ type cascade system in hybrid energy storage system (HESS)
CN106708163B (zh) 以最大功率点旋转备用容量跟踪的光伏发电系统控制方法
Peña-Aguirre et al. Fuzzy logic power management strategy for a residential DC-microgrid
Wang et al. Decentralized impedance specifications for small-signal stability of DC distributed power systems
CN104009484B (zh) 一种基于潮流计算的电网降损评估方法
Jumani et al. Dynamic response enhancement of grid‐tied ac microgrid using salp swarm optimization algorithm
Boujoudar et al. Intelligent controller based energy management for stand‐alone power system using artificial neural network
CN104578045A (zh) 独立直流微网智能功率分配方法
CN114709807A (zh) 一种基于储能变换器的直流微网灵活虚拟惯性控制方法
Kumar et al. Maximum sensitivity-constrained coefficient diagram method-based PIDA controller design: Application for load frequency control of an isolated microgrid
CN104009477B (zh) 有源电力滤波器系统的鲁棒模型参考自适应电流控制方法
Tian et al. DC-link voltage coordinated-proportional control for cascaded converter with zero steady-state error and reduced system type
Wang et al. Adaptive terminal sliding mode based load frequency control for multi-area interconnected power systems with PV and energy storage
Li et al. Review on Reactive Power and Voltage Optimization of Active Distribution Network with Renewable Distributed Generation and Time‐Varying Loads
Zou et al. Optimized Robust Controller Design Based on CPSOGSA Optimization Algorithm and H 2/H∞ Weights Distribution Method for Load Frequency Control of Micro-Grid
Madhu et al. Design of fuzzy logic controlled hybrid model for the control of voltage and frequency in microgrid
Huang et al. Distributed predefined-time secondary frequency and average voltage control for islanded AC microgrids

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant