CN113013899A - 一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法。所述方法包括如下步骤：采集分数阶电气弹簧的参数输入控制器；生成实时阶数β；生成参考电流；产生驱动信号；分数阶电气弹簧循环控制。本发明提出的分数阶电气弹簧控制方法可灵活调节阶数在0～2之间变化以进行功率补偿，维持分数阶电气弹簧的输入电压稳定。

Description

一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法
技术领域
本发明涉及分数阶元件应用的技术领域，具体涉及一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法。
背景技术
随着可再生能源发电比例不断增大，其发电的间歇性、不稳定性对电网造成的影响也越来越突出，有可能造成电网电压、频率波动，对传统的发电模式提出了挑战。许树源团队在2012年提出了一种基于发电量调节电网电压的新型技术——电气弹簧(ElectricSpring，ES)，与非关键负载串联后可形成智能负载，能够实现发电量与用电量的自动匹配。目前，ES的众多拓扑中，除了许树源团队在2015年提出的一种ES-3拓扑，其余的ES拓扑都必须与非关键负载串联才能正常工作，这对ES的布局设计造成了一定限制。此外，非关键负载的允许波动在±20％，约束了ES的补偿范围。
现有的分数阶电气弹簧中，其阶数范围变化在-1到1之间。尽管能实现关键负载电压的稳定，但由于阶数调节范围的限制，分数阶电气弹簧只能一直吸收有功功率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法。本发明利用PI控制器对分数阶电气弹簧的输入电压与参考电压间的误差进行控制，从而产生在0～2之间实时可调的阶数。然后将实时可调的阶数送入参考电流生成模块中，根据分数阶电气弹簧电压电流关系计算并输出参考电流，电流环的控制确保分数阶电气弹簧输入电流与参考电流相等。本发明提出的分数阶电气弹簧控制方法可通过阶数的实时调节实现有功功率的消耗或释放，消除电网出现的有功功率波动对负载电压的影响。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法，包括如下步骤：
S1、采集分数阶电气弹簧的参数输入控制器；
S2、生成实时阶数β；
S3、生成参考电流；
S4、产生驱动信号；
S5、分数阶电气弹簧循环控制。
进一步地，步骤S1中，交流采样模块中的锁相环电路得到分数阶电气弹簧输入电压分数阶电气弹簧输入电压
Figure BDA0002987359120000011
的相位，DSP根据电压的过零点计算电压有效值Vin；交流采样模块中的电流霍尔传感器采样分数阶电气弹簧输入电流
Figure BDA0002987359120000021
进一步地，步骤S2中，令Zβ为分数阶电气弹簧的阻抗值，其定义为：
Figure BDA0002987359120000022
分数阶电气弹簧满足分数阶电容的电压电流关系，其中β为体现电路分数阶特性的阶次参数，范围为0～2；Cβ为分数阶电气弹簧的电容值，阶数β实时可调，ω表示频率。
进一步地，设分数阶电气弹簧与一个纯阻性负载并联，负载阻值大小为Rs，此时电网输入的有功功率Pin等于分数阶电气弹簧的有功功率加上负载的有功功率；当电网出现有功功率波动时，为保证负载电压保持不变，波动功率ΔP由分数阶电气弹簧承担，负载的有功功率等于额定功率Pref，则下式成立：
Figure BDA0002987359120000023
Figure BDA0002987359120000024
当电网发出的有功功率正好满足负载需求时，ΔP＝0，分数阶电气弹簧处于平衡点，既不吸收也不释放有功功率，阶数β＝1；当电网发出的有功功率超出负载需求时，ΔP＞0，分数阶电气弹簧需吸收多余的有功功率，其阶数应调节至0～1之间；当电网发出的有功功率无法满足负载需求时，分数阶电气弹簧需释放有功功率补足负载功率欠额ΔP＜0，其阶数应调节至1～2之间。
进一步地，在控制器中，分数阶电气弹簧的实时阶数由平衡值β0和校正值△β组成，故有：
β＝β0+Δβ；
其中β0＝1，对应功率平衡点；将分数阶电气弹簧的输入电压信号Vin与参考电压信号Vref间的误差通过PI控制器，输出作为分数阶电气弹簧阶数的校正值△β，△β实时反映电网功率波动下分数阶电气弹簧的阶数调节。
进一步地，步骤S3中，根据实时阶数β，在参考电流生成模块中进一步得到所需的参考电流
Figure BDA0002987359120000025
分数阶电气弹簧的参考电流定义如下：
Figure BDA0002987359120000026
其中，参考电流的幅值由步骤S1中采样的输入电压有效值Vin、步骤S2中得到的实时阶数β及参考电流生成模块中设置的电容值Cβ确定，其相位θs为步骤S1中采样的输入电压相位
Figure BDA0002987359120000037
叠加上πβ/2。
进一步地，参考电流生成模块为加法器、乘法器、对数放大器、反对数放大器中的一种或多种。
进一步地，步骤S4中，将步骤S3中得到的参考电流
Figure BDA0002987359120000031
和采样到的输入电流
Figure BDA0002987359120000032
送入电流环中进行比较，其输出叠加上一个输入电压的前馈补偿后，得到分数阶电气弹簧中DC/AC变换器中的输出电压：
Figure BDA0002987359120000033
其中，K为电流环的增益系数，
Figure BDA0002987359120000034
作为调制信号送入PWM发生器中，与其中设置的载波信号进行比较后生成驱动信号。
进一步地，步骤S5中，将步骤S4产生的驱动信号输入分数阶电气弹簧，分数阶电气弹簧根据驱动信号消纳输入功率的波动部分，使电压恢复，然后返回步骤S1，重新采集分数阶电气弹簧的参数，持续控制分数阶电气弹簧。
进一步地，分数阶电气弹簧满足分数阶电容的电压电流关系，其有功功率输出满足：
Figure BDA0002987359120000035
Figure BDA0002987359120000036
其中，PZβ为分数阶电器弹簧的消耗功率；实时阶数β根据输入电压Vin与参考值Vref间的误差进行实时调节，保证电网输入功率的波动部分由分数阶电气弹簧进行消纳，并使输入电流等于参考电流，并联在分数阶电气弹簧上的负载以额定功率运行，输入电压Vin恢复至参考值Vref。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明无需非关键负载，分数阶电气弹簧能直接并联负载发挥作用，使用灵活；
2、本发明平衡状态下不消耗电网功率，仅在关键负载电压波动时进行必要的功率补偿。
附图说明
图1为本发明实施例中一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法示意图；
图2为本发明实施例中分数阶电气弹簧工作的仿真波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实例对本发明进行进一步的详细说明，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，若以下有未做详细说明之处，均是本领域技术人员可参照已有技术理解或实现的。
实施例：
一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、采集分数阶电气弹簧的参数输入控制器；
交流采样模块中的锁相环电路得到分数阶电气弹簧输入电压分数阶电气弹簧输入电压
Figure BDA0002987359120000041
的相位，DSP根据电压的过零点计算电压有效值Vin；交流采样模块中的电流霍尔传感器采样分数阶电气弹簧输入电流
Figure BDA0002987359120000042
S2、生成实时阶数β；
令Zβ为分数阶电气弹簧的阻抗值，其定义为：
Figure BDA0002987359120000043
分数阶电气弹簧满足分数阶电容的电压电流关系，其中β为体现电路分数阶特性的阶次参数，范围为0～2；Cβ为分数阶电气弹簧的电容值，阶数β实时可调，ω表示频率。
设分数阶电气弹簧与一个纯阻性负载并联，负载阻值大小为Rs，此时电网输入的有功功率Pin等于分数阶电气弹簧的有功功率加上负载的有功功率；当电网出现有功功率波动时，为保证负载电压保持不变，波动功率ΔP由分数阶电气弹簧承担，负载的有功功率等于额定功率Pref，则下式成立：
Figure BDA0002987359120000044
Figure BDA0002987359120000045
当电网发出的有功功率正好满足负载需求时，ΔP＝0，分数阶电气弹簧处于平衡点，既不吸收也不释放有功功率，阶数β＝1；当电网发出的有功功率超出负载需求时，ΔP＞0，分数阶电气弹簧需吸收多余的有功功率，其阶数应调节至0～1之间；当电网发出的有功功率无法满足负载需求时，分数阶电气弹簧需释放有功功率补足负载功率欠额ΔP＜0，其阶数应调节至1～2之间。
在控制器中，分数阶电气弹簧的实时阶数由平衡值β0和校正值△β组成，故有：
β＝β0+Δβ；
其中β0＝1，对应功率平衡点；将分数阶电气弹簧的输入电压信号Vin与参考电压信号Vref间的误差通过PI控制器，输出作为分数阶电气弹簧阶数的校正值△β，△β实时反映电网功率波动下分数阶电气弹簧的阶数调节。
根据电网功率表达式，电网功率无法满足负载需求时，阶数处于1～2之间，释放有功功率补足功率欠额；电网功率超出负载需求时，阶数处于0～1之间，吸收多余的有功功率。
S3、生成参考电流；
根据实时阶数β，在参考电流生成模块中进一步得到所需的参考电流
Figure BDA0002987359120000051
参考电流生成模块为加法器、乘法器、对数放大器、反对数放大器中的一种或多种；分数阶电气弹簧的参考电流定义如下：
Figure BDA0002987359120000052
其中，参考电流的幅值由步骤S1中采样的输入电压有效值Vin、步骤S2中得到的实时阶数β及参考电流生成模块中设置的电容值Cβ确定，其相位θs为步骤S1中采样的输入电压相位
Figure BDA0002987359120000053
叠加上πβ/2。
S4、产生驱动信号；
将步骤S3中得到的参考电流
Figure BDA0002987359120000054
和采样到的输入电流
Figure BDA0002987359120000055
送入电流环中进行比较，其输出叠加上一个输入电压的前馈补偿后，得到分数阶电气弹簧中DC/AC变换器中的输出电压：
Figure BDA0002987359120000056
其中，K为电流环的增益系数，
Figure BDA0002987359120000057
作为调制信号送入PWM发生器中，与其中设置的载波信号进行比较后生成驱动信号。
S5、分数阶电气弹簧循环控制；
将步骤S4产生的驱动信号输入分数阶电气弹簧，分数阶电气弹簧根据驱动信号消纳输入功率的波动部分，使电压恢复，然后返回步骤S1，重新采集分数阶电气弹簧的参数，持续控制分数阶电气弹簧。
分数阶电气弹簧满足分数阶电容的电压电流关系，其有功功率输出满足：
Figure BDA0002987359120000058
Figure BDA0002987359120000059
其中，PZβ为分数阶电器弹簧的消耗功率；实时阶数β根据输入电压Vin与参考值Vref间的误差进行实时调节，保证电网输入功率的波动部分由分数阶电气弹簧进行消纳，并使输入电流等于参考电流，并联在分数阶电气弹簧上的负载以额定功率运行，输入电压Vin恢复至参考值Vref。
本实施例中，为了验证本发明的有效性，将本发明应用到配电网电路中并进行了仿真分析，仿真参数为：电压等级220V/50Hz，负载Rs为纯阻性，阻值大小48.4Ω，电流环控制函数K取为50。
如图2所示，黑色虚线为模拟的电网输入功率的波动情况，适用但不限于风能、太阳能等可再生能源发电间歇性、不稳定性特点造成的功率波动。为体现控制方法的有效性，设置仿真前25s和后25s的功率波动情况一致，其中前25s内分数阶电气弹簧未激活，后25s中激活分数阶电气弹簧的阶数调节。
图2黑色点划线所示为负载电压的波动情况，前25s中本发明所述的控制方法不发挥作用，后25s后激活本发明所述的控制方法，可以看出后25s中负载电压维持稳定，大小为220V。
图2黑色实线所示为分数阶电气弹簧阶数的实时变化曲线，前25s内控制方法未激活时维持平衡值1。激活后，当电网功率无法满足负载需求时，阶数处于1～2之间，释放有功功率补足功率欠额；电网功率超出负载需求时，阶数处于0～1之间，吸收多余的有功功率。阶数随着功率的波动以实时调节，从而维持负载电压的稳定。
本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代，但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采集分数阶电气弹簧的参数输入控制器；
S2、生成实时阶数β；
S3、生成参考电流；
S4、产生驱动信号；
S5、分数阶电气弹簧循环控制。
2.根据权利要求1所述的一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法，其特征在于，步骤S1中，交流采样模块中的锁相环电路得到分数阶电气弹簧输入电压分数阶电气弹簧输入电压
Figure FDA0002987359110000011
的相位，DSP根据电压的过零点计算电压有效值Vin；交流采样模块中的电流霍尔传感器采样分数阶电气弹簧输入电流
Figure FDA0002987359110000012
3.根据权利要求1所述的一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法，其特征在于，步骤S2中，令Zβ为分数阶电气弹簧的阻抗值，其定义为：
Figure FDA0002987359110000013
分数阶电气弹簧满足分数阶电容的电压电流关系，其中β为体现电路分数阶特性的阶次参数，范围为0～2；Cβ为分数阶电气弹簧的电容值，阶数β实时可调，ω表示频率。
4.根据权利要求3所述的一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法，其特征在于，设分数阶电气弹簧与一个纯阻性负载并联，负载阻值大小为Rs，此时电网输入的有功功率Pin等于分数阶电气弹簧的有功功率加上负载的有功功率；当电网出现有功功率波动时，为保证负载电压保持不变，波动功率ΔP由分数阶电气弹簧承担，负载的有功功率等于额定功率Pref，则下式成立：
Figure FDA0002987359110000014
Figure FDA0002987359110000015
当电网发出的有功功率正好满足负载需求时，ΔP＝0，分数阶电气弹簧处于平衡点，既不吸收也不释放有功功率，阶数β＝1；当电网发出的有功功率超出负载需求时，ΔP＞0，分数阶电气弹簧需吸收多余的有功功率，其阶数应调节至0～1之间；当电网发出的有功功率无法满足负载需求时，分数阶电气弹簧需释放有功功率补足负载功率欠额ΔP＜0，其阶数应调节至1～2之间。
5.根据权利要求4所述的一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法，其特征在于，在控制器中，分数阶电气弹簧的实时阶数由平衡值β0和校正值△β组成，故有：
β＝β0+Δβ；
其中β0＝1，对应功率平衡点；将分数阶电气弹簧的输入电压信号Vin与参考电压信号Vref间的误差通过PI控制器，输出作为分数阶电气弹簧阶数的校正值△β，△β实时反映电网功率波动下分数阶电气弹簧的阶数调节。
6.根据权利要求5所述的一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法，其特征在于，步骤S3中，根据实时阶数β，在参考电流生成模块中进一步得到所需的参考电流
Figure FDA0002987359110000021
分数阶电气弹簧的参考电流定义如下：
Figure FDA0002987359110000022
其中，参考电流的幅值由步骤S1中采样的输入电压有效值Vin、步骤S2中得到的实时阶数β及参考电流生成模块中设置的电容值Cβ确定，其相位θs为步骤S1中采样的输入电压相位
Figure FDA0002987359110000023
叠加上πβ/2。
7.根据权利要求6所述的一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法，其特征在于，参考电流生成模块为加法器、乘法器、对数放大器、反对数放大器中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法，其特征在于，步骤S4中，将步骤S3中得到的参考电流
Figure FDA0002987359110000024
和采样到的输入电流
Figure FDA0002987359110000025
送入电流环中进行比较，其输出叠加上一个输入电压的前馈补偿后，得到分数阶电气弹簧中DC/AC变换器中的输出电压：
Figure FDA0002987359110000026
其中，K为电流环的增益系数，
Figure FDA0002987359110000027
作为调制信号送入PWM发生器中，与其中设置的载波信号进行比较后生成驱动信号。
9.根据权利要求8所述的一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法，其特征在于，步骤S5中，将步骤S4产生的驱动信号输入分数阶电气弹簧，分数阶电气弹簧根据驱动信号消纳输入功率的波动部分，使电压恢复，然后返回步骤S1，重新采集分数阶电气弹簧的参数，持续控制分数阶电气弹簧。
10.根据权利要求1～9任一项所述的一种阶数实时可调的分数阶电气弹簧控制方法，其特征在于，分数阶电气弹簧满足分数阶电容的电压电流关系，其有功功率输出满足：
Figure FDA0002987359110000031
Figure FDA0002987359110000032
其中，PZβ为分数阶电器弹簧的消耗功率；实时阶数β根据输入电压Vin与参考值Vref间的误差进行实时调节，保证电网输入功率的波动部分由分数阶电气弹簧进行消纳，并使输入电流等于参考电流，并联在分数阶电气弹簧上的负载以额定功率运行，输入电压Vin恢复至参考值Vref。
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