CN114336644A - 一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法 - Google Patents

一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114336644A
CN114336644A CN202111441932.6A CN202111441932A CN114336644A CN 114336644 A CN114336644 A CN 114336644A CN 202111441932 A CN202111441932 A CN 202111441932A CN 114336644 A CN114336644 A CN 114336644A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sliding mode
microgrid
grid
alternating current
control
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.)
Granted
Application number
CN202111441932.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114336644B (zh
Inventor
王强
魏广宇
田晋羽
王恩祥
杨旭
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.)
Jinzhou Electric Power Supply Co Of State Grid Liaoning Electric Power Supply Co ltd
State Grid Corp of China SGCC
Original Assignee
Jinzhou Electric Power Supply Co Of State Grid Liaoning Electric Power Supply Co ltd
State Grid Corp of China SGCC
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 Jinzhou Electric Power Supply Co Of State Grid Liaoning Electric Power Supply Co ltd, State Grid Corp of China SGCC filed Critical Jinzhou Electric Power Supply Co Of State Grid Liaoning Electric Power Supply Co ltd
Priority to CN202111441932.6A priority Critical patent/CN114336644B/zh
Publication of CN114336644A publication Critical patent/CN114336644A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114336644B publication Critical patent/CN114336644B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects

Landscapes

  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法，属于交流微电网系统稳定控制领域包括如下步骤：步骤1：分析交流微电网在孤岛运行模式下各个电气参数之间的数学关系，建立孤岛交流微电网控制模型，并规定交流微电网电压、电流的额定值，建立误差跟踪系统；步骤2：设计积分滑模面，采用二次型李雅普诺夫函数分析控制系统稳定性，构建线性矩阵不等式求解积分滑模函数控制矩阵；步骤3：设计切换控制律并通过调节切换控制律参数改变误差变量收敛速度以及达到稳定状态后的抖振情况；步骤4：根据交流微电网系统网络参数，进行仿真分析。本发明利用系统干扰衰减理论和积分滑模控制原理相结合来设计控制律，系统干扰衰减理论提高了微电网电压的稳定性，积分滑模控制原理确保了误差跟踪系统的准确性，实现交流微电网系统的稳定控制。

Description

一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法
技术领域
本发明属于交流微电网系统稳定控制领域，特别涉及一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法。
背景技术
随着新能源发电技术的广泛应用，分布式发电技术与微电网架构正日益渗在透现代电力系统中。一个标准的交流微电网基本架构包括：分布式发电电源、转换器、变压器、公共连接点以及局部负荷等。由于微电网所涉及到的配电领域范围较小，并不涉及到远距离输电，所以微电网系统内采用的母线电压等级较低。分布式发电单元包含新能源发电设备、直流电源、电压源转换器以及交流侧滤波器。分布式发电包括多种形式，例如光伏发电、风力发电以及燃料电池等。微电网在孤岛运行模式下，分布式发电产生的功率应与系统内的负载消耗的功率匹配，为了保证微电网能稳定向负载提供电能，微电网电压稳定控制策略具有重要意义。
微电网在孤岛运行模式下，由于负荷侧功率的变化以及微电网系统参数变化等问题会使微电网的运行状态改变，因此微电网系统母线电压稳定控制是难点问题。
随着微电网的快速发展，微电网的稳定运行已成为目前主流研究方向。目前国内外科研领域，关于交流微电网稳定运行技术的研究，主要涉及交流微电网数学模型的搭建、并离网的稳定控制以及交流微电网功率分配等方面。应用的主要技术包括传统的下垂控制、神经网络建模、多智能体自适应控制、基于状态观测器的鲁棒控制以及PID控制等。
传统的下垂控制策略运用线性函数关系代表微电网参数之间的关系，但在实际运行过程中，线性函数难以代表参数间的复杂非线性关系，在实际应用中不能展现良好的控制性能。基于状态观测器的鲁棒滑模控制策略运用到交流孤岛微电网的电压控制中，削弱了滑模控制抖振的情况，但是引入了过多的参数，增加了系统复杂性；自适应控制策略以及PID控制策略局限于参数优化问题，稳定性较差，因此，以上控制策略并不能满足交流微电网系统稳定运行的更高要求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提出一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法，设定交流微电网系统的额定值，建立误差跟踪系统，基于误差跟踪系统干扰项的衰减程度，利用积分滑模控制原理确保控制系统的渐近稳定性，实现交流微电网系统的稳定控制。
本发明采用技术方案如下：
一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：分析交流微电网在孤岛运行模式下各个电气参数之间的数学关系，建立孤岛交流微电网数学模型，并将动态数学模型整理成带有不匹配不确定项以及外界干扰项的线性控制系统；
步骤1.1：考虑孤岛交流微电网的网架结构，建立孤岛交流微电网数学模型，微电网包括分布式发电单元、电压源转换器、滤波器、变压器、断路器以及局部负荷六部分，其动态数学模型表达式为：
Figure BDA0003383071640000021
Figure BDA0003383071640000022
Figure BDA0003383071640000023
Figure BDA0003383071640000024
Figure BDA0003383071640000025
Figure BDA0003383071640000026
其中：Vd、Vq为微电网供电电压，Itd、Itq为分布式发电单元输出电流，ILd、ILq为微电网供电电流，Vtd、Vtq为分布式发电单元输出电压；Rt、Lt包含电压源转换器、滤波器以及变压器在内的微电网线路电阻与电感；L、R代表局部负荷电感与电阻；C代表局部负荷电容；在实际情况下，微电网用户侧用电随机性会造成微电网功率不平衡，从而使交流微电网频率发生变化，因此微电网实际频率折算角速度ω＝ω0+Δω，ω0代表孤岛交流微电网额定频率折算角速度，Δω代表孤岛交流微电网频率变化值折算的角速度变化值；
步骤1.2：以微电网供电电压直轴分量Vd、微电网供电电压交轴分量Vq、分布式发电单元输出电流直轴分量Itd、分布式发电单元输出电流交轴分量Itq、微电网供电电流直轴分量ILd以及微电网供电电流交轴分量ILq为系统状态变量，以分布式发电单元输出电压直轴分量Vtd分布式发电单元输出电压交轴分量Vtq为系统控制输入建立交流微电网电压线性控制系统：
Figure BDA0003383071640000031
其中：x(t)＝[Vd Vq Itd Itq ILd ILq]T代表系统状态变量，u(t)＝[Vtd Vtq]T代表系统控制输入，t代表时间，分布式发电单元采用新能源发电形式，在实际情况下，新能源发电受环境因素的影响，其输出电能具有随机性与波动性，因此w(t)代表电源侧输出电压不稳定所造成的系统干扰项；
Figure BDA0003383071640000032
Figure BDA0003383071640000033
Figure BDA0003383071640000041
其中
Figure BDA0003383071640000043
Figure BDA0003383071640000044
Figure BDA0003383071640000045
都是根据交流微电网在孤岛运行模式下的实际运行状况选取的实际参数归纳的实常数矩阵；ΔA(t)代表由微电网系统频率波动造成的参数不确定矩阵。
步骤2：根据交流微电网的实际运行情况，设定交流微电网供电电压、分布式发电单元输出电流以及微电网供电电流的直轴、交轴分量额定值，定义下列误差向量，并建立误差跟踪系统；
Figure BDA0003383071640000046
动态跟踪误差系统的状态方程为：
Figure BDA0003383071640000047
其中误差跟踪系统干扰项
Figure BDA0003383071640000048
由微电网系统频率波动性与新能源发电不确定性组成，其有界||f(t)||≤η；
Figure BDA0003383071640000049
步骤3：为保证交流微电网系统的稳定运行，针对误差跟踪系统设计积分滑模函数，基于系统外干扰项衰减程度设计线性矩阵不等式，采用二次型李雅普诺夫函数分析控制系统稳定性，求解积分滑模函数控制矩阵，确保误差跟踪系统的跟踪准确性与交流微电网系统的稳定性；
步骤3.1：根据步骤2中建立的交流微电网误差跟踪系统(9)，利用积分滑模控制的方法，设计积分滑模函数；
利用滑模函数可代表误差跟踪系统的状态，所设计的积分滑模函数s(t)为：
Figure BDA0003383071640000051
式中，
Figure BDA0003383071640000052
是给定的常数矩阵，满足LB为非奇异矩阵；
Figure BDA0003383071640000053
是积分滑模函数中的控制矩阵，τ代表积分变量，可通过对以下步骤中的线性矩阵不等式求解获得；
步骤3.2：基于系统外干扰项衰减程度设计线性矩阵不等式，利用Matlab线性矩阵不等式工具箱求解线性矩阵不等式获得积分滑模函数中控制矩阵K，运用等效控制原理确保系统状态运行到滑模函数后的稳定性；
对积分滑模函数(11)进行求导得：
Figure BDA0003383071640000054
当系统状态到达滑模函数后应保持稳定，即
Figure BDA0003383071640000055
则系统等效控制律为：
ueq(t)＝-(LB)-1L(ΔA(t)-BK)e(t)-(LB)-1Lf(t) (13)
将系统等效控制律ueq(t)带入误差跟踪系统中，原误差跟踪系统可表达为：
Figure BDA0003383071640000056
考虑系统状态稳定性，建立下列李雅普诺夫函数代表系统状态变化趋势：
V(t)＝eT(t)LTPLe(t) (15)
式中，P代表误差跟踪系统中误差状态变化矩阵，通过求解线性矩阵不等式可以得出，且为正定矩阵，对上述李雅普诺夫函数进行求导：
Figure BDA0003383071640000057
假定||I-B(LB)-1L||≤b，若J＜0则表示系统状态在达到滑模函数后是稳定的，即确保
Figure BDA0003383071640000061
其中：
Ω＝LTPLA+ATLTPL+LTPLBK+KTBTLTPL+Q+ε1LTPLLTPL+b2a2ε1 -1I；
Q代表控制系统衰减权重矩阵，ε1是大于零的常数，I代表单位矩阵，T代表矩阵的转置，ξ代表控制系统干扰项的衰减程度；
对上述线性矩阵不等式进行求解可得到积分滑模函数(11)中控制矩阵K。
步骤4：根据滑模控制原理，基于上述步骤所设计的积分滑模函数，对误差跟踪系统设计切换控律，使孤岛交流微电网运行状态在偏离滑模函数后可在有限时间内运动到积分滑模函数上，从而保证整个系统渐进稳定性；
步骤4.1：设计切换控制律为：
usw(t)＝-β1s(t)-β2sgn(s(t)) (18)
其中β1、β2是大于零的常数，β1主要影响系统状态的收敛速度，β2主要影响系统状态稳定后的抖振幅度，sgn(s(t))表示符号函数，即：
Figure BDA0003383071640000062
系统积分滑模控制律由等效控制律(13)和切换控制律(18)构成，可表示为：
u(t)＝-(LB)-1L(ΔA(t)-BK)e(t)-(LB)-1Lf(t)-β1s(t)-β2sgn(s(t))；
步骤4.2：选取李雅普诺夫函数，此函数代表系统状态运行趋势，并证明其导数小于零，则代表孤岛交流微电网误差跟踪系统状态是渐进稳定的；
取李雅普诺夫函数
Figure BDA0003383071640000063
则
Figure BDA0003383071640000064
将系统控制律带入系统中，并对积分滑模函数进行求导得：
Figure BDA0003383071640000065
将上式代入
Figure BDA0003383071640000071
中
Figure BDA0003383071640000072
进一步，步骤2中定义微电网模型中各参数额定值：
xr＝[Vdr Vqr Itdr Itqr ILdr ILqr]T＝[0 380 0 5.1 9.05 0]T，下角标r代表各个状态变量额定值。
进一步，步骤1.1中孤岛交流微电网为50HZ，则折算角速度ω0＝100πrad/s，Δω＝5πsintrad/s。
进一步，步骤1.2中w(t)＝0.6sin8πt。
进一步，步骤2η＝156.36。
进一步，步骤4中β1＝20，β2＝0.05。
本发明的有益效果是：
本发明依据交流微电网在孤岛运行模式下的实际运行状态建立控制模型，设定微电网供电电压、分布式发电单元输出电流以及微电网供电电流直轴、交轴分量的额定值，建立误差跟踪系统；基于误差跟踪系统的干扰项的衰减程度，通过求解线性矩阵不等式获得积分滑模函数的控制矩阵具有更好的数值可靠性；所选用的积分滑模控制策略具有更好的渐近稳定性，可以确保控制微电网控制系统的跟踪精确性；随着微电网系统的快速发展，本发明可确保微电网系统运行的稳定性，对提高偏远地区负荷的供电质量以及电网供电广泛性具有指导意义和推广价值。
附图说明
图1为本发明微电网供电电压直轴分量变化仿真图；
图2为本发明微电网供电电压交轴分量变化仿真图；
图3为本发明分布式发电单元输出电流直轴分量变化仿真图；
图4为本发明分布式发电单元输出电流交轴分量变化仿真图；
图5为本发明微电网供电电流直轴分量变化仿真图；
图6为本发明微电网供电电流交轴分量变化仿真图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步解释。
步骤1：分析交流微电网在孤岛运行模式下各个电气参数之间的数学关系，建立孤岛交流微电网数学模型，并将动态数学模型整理成带有不匹配不确定项以及外界干扰项的线性控制系统；
步骤2：根据交流微电网的实际运行情况，设定交流微电网供电电压、分布式发电单元输出电流以及微电网供电电流的直轴、交轴分量额定值，建立误差跟踪系统；
步骤3：为保证交流微电网系统的稳定运行，针对误差跟踪系统设计积分滑模函数，基于系统外干扰项衰减程度设计线性矩阵不等式，采用二次型李雅普诺夫函数分析控制系统稳定性，求解积分滑模函数控制矩阵，确保误差跟踪系统的跟踪准确性与交流微电网系统的稳定性；
步骤4：根据滑模控制原理，基于上述步骤所设计的积分滑模函数，对误差跟踪系统设计切换控律，使孤岛交流微电网运行状态在偏离滑模函数后可在有限时间内运动到积分滑模函数上，从而保证整个系统渐进稳定性。
具体步骤如下：
步骤1：分析交流微电网在孤岛运行模式下各个电气参数之间的数学关系，建立孤岛交流微电网数学模型，并将动态数学模型整理成带有不匹配不确定项以及外界干扰项的线性控制系统；
步骤1.1：考虑孤岛交流微电网的网架结构，建立孤岛交流微电网数学模型，微电网的主要组成包括分布式发电单元、电压源转换器、滤波器、变压器、断路器以及局部负荷六部分，其动态数学模型表达式为：
Figure BDA0003383071640000081
Figure BDA0003383071640000082
Figure BDA0003383071640000083
Figure BDA0003383071640000084
Figure BDA0003383071640000091
Figure BDA0003383071640000092
其中：Vd、Vq为微电网供电电压，Itd、Itq为分布式发电单元输出电流，ILd、ILq为微电网供电电流，Vtd、Vtq为分布式发电单元输出电压；Rt、Lt包含电压源转换器、滤波器以及变压器在内的微电网线路电阻与电感；L、R代表局部负荷电感与电阻；C代表局部负荷电容；在实际情况下，微电网用户侧用电随机性会造成微电网功率不平衡，从而使交流微电网频率发生变化，因此微电网实际频率折算角速度ω＝ω0+Δω，ω0代表孤岛交流微电网额定频率折算角速度，孤岛交流微电网为50HZ，则折算角速度ω0＝100πrad/s，Δω代表孤岛交流微电网频率变化值折算的角速度变化值，Δω＝5πsintrad/s；
步骤1.2：以微电网供电电压直轴分量Vd、微电网供电电压交轴分量Vq、分布式发电单元输出电流直轴分量Itd、分布式发电单元输出电流交轴分量Itq、微电网供电电流直轴分量ILd以及微电网供电电流交轴分量ILq为系统状态变量，以分布式发电单元输出电压直轴分量Vtd分布式发电单元输出电压交轴分量Vtq为系统控制输入建立交流微电网电压线性控制系统：
Figure BDA0003383071640000093
其中：x(t)＝[Vd Vq Itd Itq ILd ILq]T代表系统状态变量，u(t)＝[Vtd Vtq]T代表系统控制输入，t代表时间，分布式发电单元采用新能源发电形式，在实际情况下，新能源发电受环境因素的影响，其输出电能具有随机性与波动性，因此w(t)代表电源侧输出电压不稳定所造成的系统干扰项，w(t)＝0.6sin8πt；
Figure BDA0003383071640000101
Figure BDA0003383071640000102
Figure BDA0003383071640000103
Figure BDA0003383071640000104
其中
Figure BDA0003383071640000105
Figure BDA0003383071640000106
Figure BDA0003383071640000107
都是根据交流微电网在孤岛运行模式下的实际运行状况选取的实际参数归纳的实常数矩阵；ΔA(t)代表由微电网系统频率波动造成的参数不确定矩阵。
步骤2：根据交流微电网的实际运行情况，设定交流微电网供电电压、分布式发电单元输出电流以及微电网供电电流的直轴、交轴分量额定值，建立误差跟踪系统；
定义微电网模型中各参数额定值：
xr＝[Vdr Vqr Itdr Itqr ILdr ILqr]T＝[0 380 0 5.1 9.05 0]T，下角标r代表各个状态变量额定值，定义下列误差向量，并建立误差跟踪系统；
Figure BDA0003383071640000111
动态跟踪误差系统的状态方程为：
Figure BDA0003383071640000112
其中误差跟踪系统干扰项
Figure BDA0003383071640000113
由微电网系统频率波动性与新能源发电不确定性组成，其有界||f(t)||≤η，η＝156.36；
Figure BDA0003383071640000114
步骤3：为保证交流微电网系统的稳定运行，针对误差跟踪系统设计积分滑模函数，基于系统外干扰项衰减程度设计线性矩阵不等式，采用二次型李雅普诺夫函数分析控制系统稳定性，求解积分滑模函数控制矩阵，确保误差跟踪系统的跟踪准确性与交流微电网系统的稳定性；
步骤3.1：根据步骤2中建立的交流微电网误差跟踪系统(9)，利用积分滑模控制的方法，设计积分滑模函数；
利用滑模函数可代表误差跟踪系统的状态，所设计的积分滑模函数s(t)为：
Figure BDA0003383071640000121
式中，
Figure BDA0003383071640000122
是给定的常数矩阵，满足LB为非奇异矩阵；
Figure BDA0003383071640000123
是积分滑模函数中的控制矩阵，τ代表积分变量，可通过对以下步骤中的线性矩阵不等式求解获得；
步骤3.2：基于系统外干扰项衰减程度设计线性矩阵不等式，利用Matlab线性矩阵不等式工具箱求解线性矩阵不等式获得积分滑模函数中控制矩阵K，运用等效控制原理确保系统状态运行到滑模函数后的稳定性；
对积分滑模函数(11)进行求导得：
Figure BDA0003383071640000124
当系统状态到达滑模函数后应保持稳定，即
Figure BDA0003383071640000125
则系统等效控制律为：
ueq(t)＝-(LB)-1L(ΔA(t)-BK)e(t)-(LB)-1Lf(t) (13)
将系统等效控制律ueq(t)带入误差跟踪系统中，原误差跟踪系统可表达为：
Figure BDA0003383071640000126
考虑系统状态稳定性，建立下列李雅普诺夫函数代表系统状态变化趋势：
V(t)＝eT(t)LTPLe(t) (15)
式中，P代表误差跟踪系统中误差状态变化矩阵，通过求解线性矩阵不等式可以得出，且为正定矩阵，对上述李雅普诺夫函数进行求导：
Figure BDA0003383071640000127
假定||I-B(LB)-1L||≤b，若J＜0则表示系统状态在达到滑模函数后是稳定的，即确保
Figure BDA0003383071640000128
其中：
Ω＝LTPLA+ATLTPL+LTPLBK+KTBTLTPL+Q+ε1LTPLLTPL+b2a2ε1 -1I；
Q代表控制系统衰减权重矩阵，ε1是大于零的常数，I代表单位矩阵，T代表矩阵的转置，ξ代表控制系统干扰项的衰减程度；
对上述线性矩阵不等式进行求解可得到积分滑模函数(11)中控制矩阵K。
步骤4：根据滑模控制原理，基于上述步骤所设计的积分滑模函数，对误差跟踪系统设计切换控律，使孤岛交流微电网运行状态在偏离滑模函数后可在有限时间内运动到积分滑模函数上，从而保证整个系统渐进稳定性；
步骤4.1：设计切换控制律为：
usw(t)＝-β1s(t)-β2sgn(s(t)) (18)
其中β1、β2是大于零的常数，β1主要影响系统状态的收敛速度，β2主要影响系统状态稳定后的抖振幅度，β1＝20，β2＝0.05，sgn(s(t))表示符号函数，即：
Figure BDA0003383071640000131
系统积分滑模控制律由等效控制律(13)和切换控制律(18)构成，可表示为：
u(t)＝-(LB)-1L(ΔA(t)-BK)e(t)-(LB)-1Lf(t)-β1s(t)-β2sgn(s(t))
步骤4.2：选取李雅普诺夫函数，此函数代表系统状态运行趋势，并证明其导数小于零，则代表孤岛交流微电网误差跟踪系统状态是渐进稳定的；
取李雅普诺夫函数
Figure BDA0003383071640000132
则
Figure BDA0003383071640000133
将系统控制律带入系统中，并对积分滑模函数进行求导得：
Figure BDA0003383071640000134
将上式代入
Figure BDA0003383071640000135
中
Figure BDA0003383071640000136
基于上述控制律设计过程，基于系统外干扰项衰减程度设计线性矩阵不等式，对线性矩阵不等式进行求解，获得控制矩阵K，进行仿真分析；
根据交流微电网在孤岛运行模式下的运行数据，将系统参数带入控制系统中；
微电网线路电阻Rt＝1.5mΩ，微电网线路电感Lt＝300μH，局部负荷电阻R＝76Ω，局部负荷电感L＝111.9mH，局部负荷电容C＝62.86μF，电感品质因数qt＝120，系统频率f0＝60Hz，角速度ω0＝377rad/s。
依据上述系统参数可求得相应系统参数矩阵；
Figure BDA0003383071640000141
将系统参数矩阵带入设计的线性矩阵不等式中可求得积分滑模函数中控制矩阵，
Figure BDA0003383071640000142
选取切换控制律中参数β1＝20、β2＝0.05，选取误差跟踪系统外干扰项衰减程度ξ＝1，并对误差跟踪系统进行仿真验证。
微电网供电电压直轴分量、交轴分量变化仿真图如图1、图2所示，分布式发电单元输出电流直轴分量、交轴分量变化仿真图如图3、图4所示，微电网供电电流直轴分量、交轴分量变化仿真图如图5、图6所示；从图1、图2中容易看出，微电网供电电压直轴分量、交轴分量变化曲线在0.3秒内达到稳定状态，收敛速度极快，充分体现了积分滑模控制方法的良好鲁棒性；在图3、图4中，微电网供电电流直轴分量、交轴分量变化曲线在1.5秒内达到稳定状态，且跟踪各自的额定值，体现了积分滑模控制策略对误差跟踪系统干扰项良好的抑制效果；对图5、图6进行分析可知，微电网供电电流直轴分量、交轴分量变化曲线在2秒内达到稳定状态，相比于电压变化曲线的变化，超调量更小，提高了微电网供电电能质量，系统各个状态变量分别跟踪其额定值，充分体现了误差跟踪的精确性与积分滑模控制策略的有效性，对于孤岛交流微电网稳定运行具有重要的指导意义。
以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：分析交流微电网在孤岛运行模式下各个电气参数之间的数学关系，建立孤岛交流微电网数学模型，并将动态数学模型整理成带有不匹配不确定项以及外界干扰项的线性控制系统；
步骤1.1：考虑孤岛交流微电网的网架结构，建立孤岛交流微电网数学模型，微电网包括分布式发电单元、电压源转换器、滤波器、变压器、断路器以及局部负荷六部分，其动态数学模型表达式为：
Figure FDA0003383071630000011
Figure FDA0003383071630000012
Figure FDA0003383071630000013
Figure FDA0003383071630000014
Figure FDA0003383071630000016
Figure FDA0003383071630000015
其中：Vd、Vq为微电网供电电压，Itd、Itq为分布式发电单元输出电流，ILd、ILq为微电网供电电流，Vtd、Vtq为分布式发电单元输出电压；Rt、Lt包含电压源转换器、滤波器以及变压器在内的微电网线路电阻与电感；L、R代表局部负荷电感与电阻；C代表局部负荷电容；在实际情况下，微电网用户侧用电随机性会造成微电网功率不平衡，从而使交流微电网频率发生变化，因此微电网实际频率折算角速度ω＝ω0+Δω，ω0代表孤岛交流微电网额定频率折算角速度，Δω代表孤岛交流微电网频率变化值折算的角速度变化值；
步骤1.2：以微电网供电电压直轴分量Vd、微电网供电电压交轴分量Vq、分布式发电单元输出电流直轴分量Itd、分布式发电单元输出电流交轴分量Itq、微电网供电电流直轴分量ILd以及微电网供电电流交轴分量ILq为系统状态变量，以分布式发电单元输出电压直轴分量Vtd分布式发电单元输出电压交轴分量Vtq为系统控制输入建立交流微电网电压线性控制系统：
Figure FDA0003383071630000021
其中：x(t)＝[Vd Vq Itd Itq ILd ILq]T代表系统状态变量，u(t)＝[Vtd Vtq]T代表系统控制输入，t代表时间，分布式发电单元采用新能源发电形式，在实际情况下，新能源发电受环境因素的影响，其输出电能具有随机性与波动性，因此w(t)代表电源侧输出电压不稳定所造成的系统干扰项；
Figure FDA0003383071630000022
Figure FDA0003383071630000023
Figure FDA0003383071630000031
其中
Figure FDA0003383071630000032
都是根据交流微电网在孤岛运行模式下的实际运行状况选取的实际参数归纳的实常数矩阵；ΔA(t)代表由微电网系统频率波动造成的参数不确定矩阵；
步骤2：根据交流微电网的实际运行情况，设定交流微电网供电电压、分布式发电单元输出电流以及微电网供电电流的直轴、交轴分量额定值，定义下列误差向量，建立误差跟踪系统；
Figure FDA0003383071630000033
动态跟踪误差系统的状态方程为：
Figure FDA0003383071630000034
其中误差跟踪系统干扰项
Figure FDA0003383071630000035
由微电网系统频率波动性与新能源发电不确定性组成，其有界||f(t)||≤η；
Figure FDA0003383071630000036
步骤3：为保证交流微电网系统的稳定运行，针对误差跟踪系统设计积分滑模函数，基于系统外干扰项衰减程度设计线性矩阵不等式，采用二次型李雅普诺夫函数分析控制系统稳定性，求解积分滑模函数控制矩阵，确保误差跟踪系统的跟踪准确性与交流微电网系统的稳定性；
步骤3.1：根据步骤2中建立的交流微电网误差跟踪系统的状态方程，利用积分滑模控制的方法，设计积分滑模函数；
利用滑模函数可代表误差跟踪系统的状态，所设计的积分滑模函数s(t)为：
Figure FDA0003383071630000041
式中，
Figure FDA0003383071630000042
是给定的常数矩阵，满足LB为非奇异矩阵；
Figure FDA0003383071630000043
是积分滑模函数中的控制矩阵，τ代表积分变量，可通过对以下步骤中的线性矩阵不等式求解获得；
步骤3.2：基于系统外干扰项衰减程度设计线性矩阵不等式，利用Matlab线性矩阵不等式工具箱求解线性矩阵不等式获得积分滑模函数中控制矩阵K，运用等效控制原理确保系统状态运行到滑模函数后的稳定性；
对积分滑模函数(11)进行求导得：
Figure FDA0003383071630000044
当系统状态到达滑模函数后应保持稳定，即
Figure FDA0003383071630000045
则系统等效控制律为：
ueq(t)＝-(LB)-1L(ΔA(t)-BK)e(t)-(LB)-1Lf(t) (13)
将系统等效控制律ueq(t)带入误差跟踪系统中，原误差跟踪系统可表达为：
Figure FDA0003383071630000046
考虑系统状态稳定性，建立下列李雅普诺夫函数代表系统状态变化趋势：
V(t)＝eT(t)LTPLe(t) (15)
式中，P代表误差跟踪系统中误差状态变化矩阵，通过求解线性矩阵不等式可以得出，且为正定矩阵，对上述李雅普诺夫函数进行求导：
Figure FDA0003383071630000047
假定||I-B(LB)-1L||≤b，若J＜0则表示系统状态在达到滑模函数后是稳定的，即确保
Figure FDA0003383071630000051
其中：
Ω＝LTPLA+ATLTPL+LTPLBK+KTBTLTPL+Q+ε1LTPLLTPL+b2a2ε1 -1I；
Q代表控制系统衰减权重矩阵，ε1是大于零的常数，I代表单位矩阵，T代表矩阵的转置，ξ代表控制系统干扰项的衰减程度；
对上述线性矩阵不等式进行求解得到积分滑模函数(11)中控制矩阵K；
步骤4：根据滑模控制原理，基于上述步骤所设计的积分滑模函数，对误差跟踪系统设计切换控律，使孤岛交流微电网运行状态在偏离滑模函数后可在有限时间内运动到积分滑模函数上，从而保证整个系统渐进稳定性；
步骤4.1：设计切换控制律为：
usw(t)＝-β1s(t)-β2sgn(s(t)) (18)
其中β1、β2是大于零的常数，β1主要影响系统状态的收敛速度，β2主要影响系统状态稳定后的抖振幅度，sgn(s(t))表示符号函数，即：
Figure FDA0003383071630000052
系统积分滑模控制律由等效控制律(13)和切换控制律(18)构成，表示为：
u(t)＝-(LB)-1L(ΔA(t)-BK)e(t)-(LB)-1Lf(t)-β1s(t)-β2sgn(s(t))
步骤4.2：选取李雅普诺夫函数，此函数代表系统状态运行趋势，并证明其导数小于零，则代表孤岛交流微电网误差跟踪系统状态是渐进稳定的；
取李雅普诺夫函数
Figure FDA0003383071630000053
则
Figure FDA0003383071630000054
将系统控制律带入系统中，并对积分滑模函数进行求导得：
Figure FDA0003383071630000055
将上式代入
Figure FDA0003383071630000061
中
Figure FDA0003383071630000062
2.根据权利要求1所述的一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法，其特征在于：步骤2中定义微电网模型中各参数额定值：
xr＝[Vdr Vqr Itdr Itqr ILdr ILqr]T＝[0 380 0 5.1 9.05 0]T，下角标r代表各个状态变量额定值。
3.根据权利要求1所述的一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法，其特征在于：步骤1.1中孤岛交流微电网为50HZ，则折算角速度ω0＝100πrad/s，Δω＝5πsintrad/s。
4.根据权利要求1所述的一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法，其特征在于：步骤1.2中w(t)＝0.6sin8πt。
5.根据权利要求1所述的一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法，其特征在于：步骤2中η＝156.36。
6.根据权利要求1所述的一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法，其特征在于：步骤4中β1＝20，β2＝0.05。
CN202111441932.6A 2021-11-27 2021-11-27 一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法 Active CN114336644B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111441932.6A CN114336644B (zh) 2021-11-27 2021-11-27 一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111441932.6A CN114336644B (zh) 2021-11-27 2021-11-27 一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114336644A true CN114336644A (zh) 2022-04-12
CN114336644B CN114336644B (zh) 2023-05-30

Family

ID=81047693

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111441932.6A Active CN114336644B (zh) 2021-11-27 2021-11-27 一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114336644B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116610026A (zh) * 2023-07-21 2023-08-18 中国人民解放军空军预警学院 一种高稳态数字式交流补偿抗扰稳压方法及系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130229135A1 (en) * 2012-03-02 2013-09-05 University Of Nebraska-Lincoln Drive systems including sliding mode observers and methods of controlling the same
CN110112940A (zh) * 2019-06-14 2019-08-09 安徽工业大学 一种基于αβ坐标系下的PWM整流器自适应滑模QPIR控制方法
CN110957745A (zh) * 2019-12-13 2020-04-03 国网辽宁省电力有限公司锦州供电公司 一种基于滑模控制的提高电网频率稳定性的方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130229135A1 (en) * 2012-03-02 2013-09-05 University Of Nebraska-Lincoln Drive systems including sliding mode observers and methods of controlling the same
CN110112940A (zh) * 2019-06-14 2019-08-09 安徽工业大学 一种基于αβ坐标系下的PWM整流器自适应滑模QPIR控制方法
CN110957745A (zh) * 2019-12-13 2020-04-03 国网辽宁省电力有限公司锦州供电公司 一种基于滑模控制的提高电网频率稳定性的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
尹聪聪;杨旭红;: "孤岛直流微电网的光储协调控制策略", 上海电机学院学报 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116610026A (zh) * 2023-07-21 2023-08-18 中国人民解放军空军预警学院 一种高稳态数字式交流补偿抗扰稳压方法及系统
CN116610026B (zh) * 2023-07-21 2023-09-29 中国人民解放军空军预警学院 一种高稳态数字式交流补偿抗扰稳压方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN114336644B (zh) 2023-05-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cucuzzella et al. Design of robust higher order sliding mode control for microgrids
Ambia et al. Adaptive droop control of multi-terminal HVDC network for frequency regulation and power sharing
Ge et al. Combined active and reactive power flow control strategy for flexible railway traction substation integrated with ESS and PV
Castilla et al. Control of power converters in AC microgrids
Busarello et al. Application of the conservative power theory current decomposition in a load power-sharing strategy among distributed energy resources
Dehghani et al. Adaptive backstepping control for master-slave AC microgrid in smart island
Fei et al. A backstepping neural global sliding mode control using fuzzy approximator for three-phase active power filter
Rui et al. Line inductance stability operation domain assessment for weak grids with multiple constant power loads
De Andrade et al. Basic Tutorial on Simulation of Microgrids Control Using MATLAB® & Simulink® Software
Evald et al. A discrete-time robust adaptive PI controller for grid-connected voltage source converter with LCL filter
Sowa et al. An average consensus algorithm for seamless synchronization of andronov-hopf oscillator based multi-bus microgrids
Debnath et al. Fidelity requirements with fast transients from VSC-HVdc
Jiang et al. Dual-ascent hierarchical control-based distribution power loss reduction of parallel-connected distributed energy storage systems in DC microgrids
Yang et al. Distributed discrete-time secondary cooperative control for AC microgrids with communication delays
CN114336644B (zh) 一种孤岛交流微电网电压积分滑模控制方法
Yang et al. An improved adaptive coordination control of wind integrated multi-terminal HVdc system
Alhattab et al. An intelligent mitigation of disturbances in electrical power system using distribution static synchronous compensator
Ghazzali et al. Fixed-time distributed voltage and reactive power compensation of islanded microgrids using sliding-mode and multi-agent consensus design
Rana et al. A robust adaptive inverse hyperbolic sine function (RA-IHSF)-based controlled solar PV grid integrated system
Sanchez Stability Investigation of Power Electronics Systems; A Microgrid Case
Sabir et al. Robust disturbance rejection control of grid-connected fuel cell converters with grid support ability under unbalanced faults
Louis et al. PQ-based local voltage regulation for highly resistive radial distribution networks
Zhou et al. Extended Disturbance-Observer-Based Virtual Synchronization Control Strategy for Distributed Generation Clusters
de Souza et al. Proportional integral resonant and proportional derivative controllers applied to zero sequence harmonic compensation in four-wire microgeneration systems
Queralt et al. Control of voltage source converters for distributed generation in 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