CN111245000A - 基于h∞指标的微网输出量反馈最优分散协调控制方法 - Google Patents

基于h∞指标的微网输出量反馈最优分散协调控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于H∞指标的微网输出量反馈最优分散协调控制方法：针对交直流混合微网中连接交流微网与直流微网的双向换流器，构建双向换流器的有功功率修正单元，实现交流微网和直流微网的有功功率相互支撑；构建交流微网中储能元件的AC/DC换流器数学模型和直流微网中储能元件的DC/DC换流器数学模型，定义辅助评价信号，基于交流微网中储能元件的AC/DC换流器数学模型、直流微网中储能元件的DC/DC换流器数学模型以及辅助评价信号，构建交直流混合微网的协调控制统一数学模型；构建H∞指标，基于H∞指标和交直流混合微网的协调控制统一数学模型，构建交直流混合微网的最优分散协调控制器。本发明使全系统的性能在统一指标下达到最优。

Description

基于H∞指标的微网输出量反馈最优分散协调控制方法
技术领域
本发明涉及一种交直流混合微网的控制方法。特别是涉及一种基于H∞指标的微网输出量反馈最优分散协调控制方法。
背景技术
交直流混合微网可充分利用交流微网和直流微网各自的优势，提高分布式电源渗透率和运行效率；同时，采用交直流互补供用电模式能减少交-直流变换环节，降低多级变换的能量损失，提高电能质量和供电可靠性。交直流混合微网中的交流微网和直流微网由双向换流器连接，通过合理调控AC/DC换流器的传输功率，可实现交流微网和直流微网的功率相互支撑；通过对交流微网中储能元件的AC/DC换流器和直流微网中储能元件的DC/DC换流器统一建模，构建最优分散协调控制器，可实现交流微网频率和直流微网电压的精准调节，进而改善交直流混合微网的电能质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够协调控制交直流混合微网交流区和直流区有功功率的输出量反馈最优分散协调的基于H∞指标的微网输出量反馈最优分散协调控制方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于H∞指标的微网输出量反馈最优分散协调控制方法，包括如下步骤：
1)针对交直流混合微网中连接交流微网与直流微网的双向换流器，构建双向换流器的有功功率修正单元，通过调节双向换流器的有功功率修正单元的输出量，实现交流微网和直流微网的有功功率相互支撑；
2)构建交流微网中储能元件的AC/DC换流器数学模型和直流微网中储能元件的DC/DC换流器数学模型，定义辅助评价信号，基于交流微网中储能元件的AC/DC换流器数学模型、直流微网中储能元件的DC/DC换流器数学模型以及辅助评价信号，构建交直流混合微网的协调控制统一数学模型；
3)构建H∞指标，基于H∞指标和交直流混合微网的协调控制统一数学模型，构建交直流混合微网的最优分散协调控制器，保证交流微网频率和直流微网电压的精准调节。
步骤1)中所述双向换流器的有功功率修正单元用数学模型表示为：
Figure BDA0002371603630000011
其中，ΔP为定义的有功功率修正值；kdc为直流电压权重系数；kac为交流频率权重系数；Δudc为直流电压实时偏差值；
Figure BDA0002371603630000012
为直流电压最大偏差值；Δf为交流频率实时偏差值；Δfmax为交流频率最大偏差值；
通过调节Δudc和Δf的值，实现交流微网和直流微网的有功功率相互支撑。
步骤2)包括：
(1)构建交流微网中储能元件的AC/DC换流器数学模型为：
Figure BDA0002371603630000021
其中，id为流入交流微网AC/DC换流器电流的直轴分量；iq为流入交流微网AC/DC换流器电流的交轴分量；ud为交流微网的AC/DC换流器出口电压直轴分量；uq为交流微网的AC/DC换流器出口电压交轴分量；ed为交流微网母线电压直轴分量；eq为交流微网母线电压交轴分量；ω为角频率；Lac为交流微网滤波器电感；Rac为交流微网滤波器等效电阻；
(2)构建直流微网中储能元件的DC/DC换流器数学模型为：
Figure BDA0002371603630000022
其中，udc为直流微网母线电压；idc为流入直流微网母线的直流电流；ucon为直流微网的DC/DC换流器输出电压；Cdc为直流微网母线电容；Rdc为直流微网中DC/DC换流器开关损耗的等效电阻；
(3)定义辅助评价信号：
Figure BDA0002371603630000023
其中，z为定义的辅助评价信号；x为状态变量；u为控制变量；Q为状态变量的权矩阵；R为控制变量的权矩阵；
(4)构建交直流混合微网的协调控制统一数学模型为：
Figure BDA0002371603630000024
其中，x＝[id iq udc]T，u＝[ud uq ucon]T，w＝[ed eq idc]T，
Figure BDA0002371603630000031
Figure BDA0002371603630000032
其中，w为输入变量；
Figure BDA0002371603630000033
为状态变量的导数；y为输出变量。
步骤3)包括：
(1)构建H∞指标为：
J∞＝||Tzw(s)||∞
其中，J∞为定义的H∞指标；Tzw(s)为w到z的闭环传递函数；w为输入变量；z为辅助评价信号；
(2)构建交直流混合微网的最优分散协调控制器为：
u＝Kx
其中，u为控制变量；x为状态变量；K为最优分散协调控制器的控制律；
Figure BDA0002371603630000034
Figure BDA0002371603630000035
Figure BDA0002371603630000036
其中，R为控制变量的权矩阵；X为通过求解黎卡提不等式得到的正定阵，所述黎卡提不等式为：
Figure BDA0002371603630000037
本发明的基于H∞指标的微网输出量反馈最优分散协调控制方法，具有如下效果：
(1)本发明的方法能够在交直流混合微网出现功率扰动时，通过对双向换流器传输功率参考值进行修正，可分别实现：交流微网与直流微网的独立控制、交流微网与直流微网的成比例控制、交流微网的恒频控制或直流微网的恒压控制；
(2)本发明的方法能够实现各局部控制器协调一致地工作，使全系统的性能在统一指标下达到最优；
(3)本发明的方法能够实现交流微网频率和直流微网电压的精准调节，进而改善交直流混合微网的电能质量。
附图说明
图1是修正双向换流器有功功率参考值的控制框图；
图2是交流微网中储能元件的AC/DC换流器拓扑图；
图3是直流微网中储能元件的DC/DC换流器拓扑图；
图4是交直流混合微网控制拓扑结构；
图5是直流微网负荷增加时的直流微网母线电压变化曲线；
图6是直流微网负荷增加时的交流微网频率变化曲线；
图7是直流微网负荷增加时的双向换流器传输的有功功率变化曲线；
图8是直流微网负荷增加时的直流微网母线电压与交流微网频率的偏差率变化曲线；
图9是交流微网负荷增加时的直流微网母线电压变化曲线；
图10是交流微网负荷增加时的交流微网频率变化曲线；
图11是交流微网负荷增加时的双向换流器传输的有功功率变化曲线；
图12是交流微网负荷增加时的直流微网母线电压与交流微网频率的偏差率变化曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于H∞指标的微网输出量反馈最优分散协调控制方做出详细说明。
本发明的基于H∞指标的微网输出量反馈最优分散协调控制方法，包括如下步骤：
1)针对交直流混合微网中连接交流微网与直流微网的双向换流器，构建双向换流器的有功功率修正单元，通过调节双向换流器的有功功率修正单元的输出量，实现交流微网和直流微网的有功功率相互支撑；
如图1所示，所述双向换流器的有功功率修正单元用数学模型表示为：
Figure BDA0002371603630000041
其中，ΔP为定义的有功功率修正值；kdc为直流电压权重系数；kac为交流频率权重系数；Δudc为直流电压实时偏差值；
Figure BDA0002371603630000042
为直流电压最大偏差值；Δf为交流频率实时偏差值；Δfmax为交流频率最大偏差值；
图1中，P0为优化单元给出的传输功率参考值；Pref为修正后的传输功率参考值；
Figure BDA0002371603630000043
为交流微网的AC/DC换流器输出电流直轴分量参考值；
Figure BDA0002371603630000044
为交流微网的AC/DC换流器输出电流交轴分量参考值。通过调节Δudc和Δf的值，实现交流微网和直流微网的有功功率相互支撑。
2)构建交流微网中储能元件的AC/DC换流器数学模型和直流微网中储能元件的DC/DC换流器数学模型，定义辅助评价信号，基于交流微网中储能元件的AC/DC换流器数学模型、直流微网中储能元件的DC/DC换流器数学模型以及辅助评价信号，构建交直流混合微网的协调控制统一数学模型；包括：
(1)如图2所示，构建交流微网中储能元件的AC/DC换流器数学模型为：
Figure BDA0002371603630000051
其中，id为流入交流微网AC/DC换流器电流的直轴分量；iq为流入交流微网AC/DC换流器电流的交轴分量；ud为交流微网的AC/DC换流器出口电压直轴分量；uq为交流微网的AC/DC换流器出口电压交轴分量；ed为交流微网母线电压直轴分量；eq为交流微网母线电压交轴分量；ω为角频率；Lac为交流微网滤波器电感；Rac为交流微网滤波器等效电阻；
图2中，ea为交流微网母线a相电压；eb为交流微网母线b相电压；ec为交流微网母线c相电压；iac为流入交流微网AC/DC换流器的电流；Cac为交流微网滤波器电容；C1为交流微网储能元件的滤波电容。
(2)如图3所示，构建直流微网中储能元件的DC/DC换流器数学模型为：
Figure BDA0002371603630000052
其中，udc为直流微网母线电压；idc为流入直流微网母线的直流电流；ucon为直流微网的DC/DC换流器输出电压；Cdc为直流微网母线电容；Rdc为直流微网中DC/DC换流器开关损耗的等效电阻；
(3)定义辅助评价信号：
Figure BDA0002371603630000053
其中，z为定义的辅助评价信号；x为状态变量；u为控制变量；Q为状态变量的权矩阵；R为控制变量的权矩阵；
(4)构建交直流混合微网的协调控制统一数学模型为：
Figure BDA0002371603630000054
其中，x＝[id iq udc]T，u＝[ud uq ucon]T，w＝[ed eq idc]T，
Figure BDA0002371603630000061
Figure BDA0002371603630000062
其中，w为输入变量；
Figure BDA0002371603630000063
为状态变量的导数；y为输出变量。
3)构建H∞指标，基于H∞指标和交直流混合微网的协调控制统一数学模型，构建交直流混合微网的最优分散协调控制器，保证交流微网频率和直流微网电压的精准调节。包括：
(1)构建H∞指标为：
J∞＝||Tzw(s)||∞
其中，J∞为定义的H∞指标；Tzw(s)为w到z的闭环传递函数；w为输入变量；z为辅助评价信号；
(2)构建交直流混合微网的最优分散协调控制器为：
u＝Kx
其中，u为控制变量；x为状态变量；K为最优分散协调控制器的控制律；
Figure BDA0002371603630000064
Figure BDA0002371603630000065
Figure BDA0002371603630000066
其中，R为控制变量的权矩阵；X为通过求解黎卡提不等式得到的正定阵，所述黎卡提不等式为：
Figure BDA0002371603630000067
下面给出实例：
参照图4搭建仿真模型，其中交流微网母线额定电压为380V，直流微网母线额定电压为800V，交流微网额定频率为50Hz，交流微网与直流微网间的双向换流器额定容量为250kVA，交流微网滤波器电感为2mH，交流微网滤波器等效电阻为0.2Ω，直流微网母线电容为5000uF，直流微网中DC/DC换流器开关损耗的等效电阻为0.1Ω，交流负荷为100kW，直流负荷为80kW。
1)交直流混合微网5s前于模式一(即kdc＝kac＝0)下运行，5s时切换为模式二(取kdc＝kac＝1)运行，7s时切换为模式三(取kdc＝0&&kac≠0)运行。3s时，直流微网负荷增加40kW。
由图5、图6、图7、图8可得，当直流微网负荷增加40kW：
(1)当交直流混合微网于模式一运行时，直流微网母线电压下降，而交流微网频率、双向换流器传输的有功功率均保持不变，即实现了交流微网和直流微网的独立控制；
(2)当交直流混合微网于模式二运行时，直流微网母线电压、交流微网频率均下降，双向换流器传输的有功功率增加，此时交流微网频率偏差率和直流微网母线电压偏差率相同，即实现了交流微网和直流微网按比例承担有功功率扰动；
(3)当交直流混合微网于模式三(取kdc＝0&&kac≠0)运行时，直流微网母线电压恢复至800V，而交流微网频率下降，双向换流器传输的有功功率增加，此时直流微网母线电压偏差率为0，即实现了直流微网母线电压的恒压控制；
(4)交直流混合微网在三种模式间切换时，直流微网母线电压、交流微网频率无超调量，动态响应时间短，即实现了直流微网母线电压和交流微网频率的精准快速调节。
2)交直流混合微网5s前于模式一(即kdc＝kac＝0)下运行，5s时切换为模式二(取kdc＝kac＝1)运行，7s时切换为模式三(取kdc≠0&&kac＝0)运行。3s时，交流微网负荷增加160kW。
由图9、图10、图11、图12可得，当交流微网负荷增加160kW：
(1)当交直流混合微网于模式一运行时，交流微网频率下降，而直流微网母线电压、双向换流器传输的有功功率均保持不变，即实现了交流微网和直流微网的独立控制；
(2)当交直流混合微网于模式二运行时，交流微网频率、直流微网母线电压均下降，双向换流器传输的有功功率减少，此时交流微网频率偏差率和直流微网母线电压偏差率相同，即实现了交流微网和直流微网按比例承担有功功率扰动；
(3)当交直流混合微网于模式三(取kdc≠0&&kac＝0)运行时，交流微网频率恢复至50Hz，而直流微网母线电压下降，双向换流器传输的有功功率减少，此时交流微网频率偏差率为0，即实现了交流微网频率的恒频控制；
(4)交直流混合微网在三种模式间切换时，直流微网母线电压、交流微网频率无超调量，动态响应时间短，即实现了直流微网母线电压和交流微网频率的精准快速调节。

Claims (4)

1.一种基于H∞指标的微网输出量反馈最优分散协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)针对交直流混合微网中连接交流微网与直流微网的双向换流器，构建双向换流器的有功功率修正单元，通过调节双向换流器的有功功率修正单元的输出量，实现交流微网和直流微网的有功功率相互支撑；
2)构建交流微网中储能元件的AC/DC换流器数学模型和直流微网中储能元件的DC/DC换流器数学模型，定义辅助评价信号，基于交流微网中储能元件的AC/DC换流器数学模型、直流微网中储能元件的DC/DC换流器数学模型以及辅助评价信号，构建交直流混合微网的协调控制统一数学模型；
3)构建H∞指标，基于H∞指标和交直流混合微网的协调控制统一数学模型，构建交直流混合微网的最优分散协调控制器，保证交流微网频率和直流微网电压的精准调节。
2.根据权利要求1所述的基于H∞指标的微网输出量反馈最优分散协调控制方，其特征在于，步骤1)中所述双向换流器的有功功率修正单元用数学模型表示为：
Figure FDA0002371603620000011
其中，ΔP为定义的有功功率修正值；kdc为直流电压权重系数；kac为交流频率权重系数；Δudc为直流电压实时偏差值；
Figure FDA0002371603620000012
为直流电压最大偏差值；Δf为交流频率实时偏差值；Δfmax为交流频率最大偏差值；
通过调节Δudc和Δf的值，实现交流微网和直流微网的有功功率相互支撑。
3.根据权利要求1所述的基于H∞指标的微网输出量反馈最优分散协调控制方，其特征在于，步骤2)包括：
(1)构建交流微网中储能元件的AC/DC换流器数学模型为：
Figure FDA0002371603620000013
其中，id为流入交流微网AC/DC换流器电流的直轴分量；iq为流入交流微网AC/DC换流器电流的交轴分量；ud为交流微网的AC/DC换流器出口电压直轴分量；uq为交流微网的AC/DC换流器出口电压交轴分量；ed为交流微网母线电压直轴分量；eq为交流微网母线电压交轴分量；ω为角频率；Lac为交流微网滤波器电感；Rac为交流微网滤波器等效电阻；
(2)构建直流微网中储能元件的DC/DC换流器数学模型为：
Figure FDA0002371603620000021
其中，udc为直流微网母线电压；idc为流入直流微网母线的直流电流；ucon为直流微网的DC/DC换流器输出电压；Cdc为直流微网母线电容；Rdc为直流微网中DC/DC换流器开关损耗的等效电阻；
(3)定义辅助评价信号：
Figure FDA0002371603620000022
其中，z为定义的辅助评价信号；x为状态变量；u为控制变量；Q为状态变量的权矩阵；R为控制变量的权矩阵；
(4)构建交直流混合微网的协调控制统一数学模型为：
Figure FDA0002371603620000023
其中，x＝[id iq udc]T，u＝[ud uq ucon]T，w＝[ed eq idc]T，
Figure FDA0002371603620000024
Figure FDA0002371603620000025
其中，w为输入变量；
Figure FDA0002371603620000026
为状态变量的导数；y为输出变量。
4.根据权利要求1所述的基于H∞指标的微网输出量反馈最优分散协调控制方，其特征在于，步骤3)包括：
(1)构建H∞指标为：
J∞＝||Tzw(s)||∞
其中，J∞为定义的H∞指标；Tzw(s)为w到z的闭环传递函数；w为输入变量；z为辅助评价信号；
(2)构建交直流混合微网的最优分散协调控制器为：
u＝Kx
其中，u为控制变量；x为状态变量；K为最优分散协调控制器的控制律；
Figure FDA0002371603620000031
Figure FDA0002371603620000032
Figure FDA0002371603620000033
其中，R为控制变量的权矩阵；X为通过求解黎卡提不等式得到的正定阵，所述黎卡提不等式为：
Figure FDA0002371603620000034
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李鹏;连攀杰;陈安伟;李闻;李鑫明;汪乐天: "交直流混合微网中多台双向换流器的分散协调控制方法" *

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