CN114977194A - 一种基于状态观测器的构网型合环装备最优电压控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于状态观测器的构网型合环装备最优电压控制方法,应用于合环装备构网侧LC滤波器配置的三相合环系统构网侧逆变系统,本发明基于时域状态空间模型,建立dq坐标系下三相逆变器时域状态空间模型,并建立系统误差方程,基于线性矩阵不等式,设计系统状态反馈控制方法。步骤1)建立三相逆变器的时域状态空间模型;步骤2)建立系统误差方程;步骤3)建立最优电压状态反馈控制;步骤4)设计系统状态观测器,观测系统状态,用以实施系统状态反馈控制。本发明基于并网电流观测进行最优状态反馈控制,以提高构网型合环装备输出电压控制性能,减小控制调节时间,改善动态超调与振荡。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于状态观测器的构网型合环装备最优电压控制方法,属于新能源电力设备控制技术领域。
背景技术
“碳达峰、碳中和”战略背景下,随着分布式新能源渗透率的不断提升,其固有的出力不确定性、接入方式与发电上网模式的多样性对配电网的影响日益凸显,使配网的运行调度面临新的挑战。配网面临着源荷波动功率的安全稳定消纳、三相不平衡的抑制、市场机制下多主体的协调等严峻的挑战。与此同时,以变流器为代表的电力电子装置在配网中的大规模应用,能显著提升配网的潮流柔性调控能力。通过在配网的关键节点处以柔性电力电子变流装置取代传统联络开关,充分发挥其功率双向灵活调控的优势,使配网由传统刚性配网向柔性配网转变,能够为分布式新能源高比例接入所带来的技术问题提供新的解决途径。
现有柔性互联装置多采用双端电流控制的方案,两侧并网均采用电网跟随型控制,实现电流跟踪控制,该技术方案需要额外的电压频率检测单元,现有技术存在检测延时,因此无法根据电网频率以及电压的变化,实时主动输出有功无功功率,难以实现主动电压支撑以及频率支撑。构网型控制的柔性互联装置内核为逆变器输出电压控制,因此研制一种基于并网电流观测的最优状态反馈控制算法,有效提高构网型合环装备输出电压控制性能,以减小控制调节时间,改善动态超调与振荡,对于柔性互联装置更好运行具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于状态观测器的构网型合环装备最优电压控制方法,基于并网电流观测进行最优状态反馈控制,以提高构网型合环装备输出电压控制性能,减小控制调节时间,改善动态超调与振荡。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现:
一种基于状态观测器的构网型合环装备最优电压控制方法,包括以下步骤:
步骤1)三相逆变器的时域状态空间模型在d-q同步参考系中表示为:
其中k1=1/Cf,k2=1/Lf,Cf为输出电容,Lf为输出电感;在时域状态空间模型公式(1)中,vLd、vLq、iid和iiq是状态变量,分别为d、q轴的电压、电流,iLd、iLq分别表示d、q轴负载电流,vid和viq是控制输入,表示桥臂电压,表示iid的微分,表示iiq的微分;
步骤2)定义d、q轴逆变器电流参考值i* id,i* iq为:
因此,三相逆变器的时域状态空间模型公式(1)可以转化为系统误差方程:
式中x=[vde vqe ide iqe]T,u=[vid viq]T,ud=[dd dq]T,
其中dd、dq为控制变量,作为补偿项用于补偿系统不确定性;
步骤3)利用式(4),构建矩阵不等式:
Q+KTRK+P(A-BK)+(A-BK)TP<0 (5);
Q和R为加权矩阵,其中Q与A矩阵维度相同,R与B矩阵维度相同,K为状态反馈控制律,P为待求解矩阵;根据式(5),建立如下线性矩阵不等式模型:
其中Q是具有与A相应维度的正定加权矩阵,R是具有与B相应维度的正定加权矩阵,上标T表示转置,上标-1表示矩阵求逆;
此时最优电压状态反馈控制通过下式得到:
ud和Kx分别表示前馈控制项和状态反馈控制项;
最优电压状态反馈控制最小化以下性能指标:
式中x为误差,un=u+ud为总控制输入;
步骤4)设计系统状态观测器,观测系统状态,用以实施系统状态反馈控制;实施步骤如下所述:
由式(1)可得到以下时域状态空间模型来估计负载电流:
式中xo=[iLd iLq vLd vLq]T,uo=[k1iid k1iiq]T;
Ao、Bo分别为观测动态的状态转移矩阵与输入矩阵,负载电流观测器表示为:
本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现:
前述一种基于状态观测器的构网型合环装备最优电压控制方法,
步骤3)中,正定加权矩阵Q和R定义为对角矩阵
前述一种基于状态观测器的构网型合环装备最优电压控制方法,其中步骤4)观测器增益矩阵L为:
且Po是下列方程的解
其中Qo维度与Ao相同,Ro与Bo维度相同。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:1.采用误差状态模型,构建最优状态反馈控制,相对于当前的小信号控制设计,本发明具有全局稳定性;2.控制结构简单,控制器易于实现;3.采用观测器观测电网电流,减少传感器数量,减少成本。
附图说明
图1是本发明应用的构网型合环装备拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明公开了一种基于状态观测器的构网型合环装备最优电压控制方法,对于具有图1所示的合环装备构网侧(VSC-B)LC滤波器配置的三相合环系统构网侧逆变系统,基于时域状态空间模型,建立dq坐标系下三相逆变器时域状态空间模型,并建立系统误差方程,基于线性矩阵不等式,设计系统状态反馈控制方法。
带LC滤波器的三相合环系统构网侧逆变系统如图1所示,由直流母线电压(Vdc)、三相脉宽调制(PWM)逆变器,一个输出LC滤波器(Lf、Cf)和三相负载(线性或非线性负载)组成。
本发明控制方法包括以下步骤:基于图1,三相逆变器的时域状态空间模型可以在d-q同步参考系中表示为:
其中k1=1/Cf,k2=1/Lf,Cf为输出电容,Lf为输出电感;在时域状态空间模型公式(1)中,vLd、vLq、iid和iiq是状态变量,分别为d、q轴的电压、电流,iLd、iLq分别表示d、q轴负载电流,vid和viq是控制输入,表示桥臂电压,表示iid的微分,表示iiq的微分;
首先,定义d、q轴逆变器电流参考值i* id,i* iq为:
因此,三相逆变器的时域状态空间模型公式(1)可以转化为系统误差方程:
式中x=[vde vqe ide iqe]T,u=[vid viq]T,ud=[dd dq]T,
其中dd、dq为控制变量,作为补偿项用于补偿系统不确定性;
利用式(4),构建矩阵不等式:
Q+KTRK+P(A-BK)+(A-BK)TP<0 (5);
Q和R为加权矩阵,其中Q与A矩阵维度相同,R与B矩阵维度相同,K为状态反馈控制律,P为待求解矩阵;根据式(5),建立如下线性矩阵不等式模型:
其中Q是具有与A相应维度的正定加权矩阵,R是具有与B相应维度的正定加权矩阵,上标T表示转置,上标-1表示矩阵求逆;
通过调节Q和R的值可以改变系统性能。通常,Q的值较大表示控制性能高,而R的值较大表示输入幅度较小。因此,控制系统中的Q和R的值之间存在折衷。因此需要调整Q和R参数以获得满意的控制效果。
正定加权矩阵Q和R定义为对角矩阵
此时最优电压状态反馈控制通过下式得到:
ud和Kx分别表示前馈控制项和状态反馈控制项;
本发明所提出的最优电压状态反馈控制可以最小化以下性能指标:
式中x为误差,un=u+ud为总控制输入;
设计系统状态观测器,观测系统状态,用以实施系统状态反馈控制;实施步骤如下所述:
由式(2)和(4)可知,逆变器电流参考id *、iq *和前馈控制项ud需要负载电流信息作为输入,为了避免使用电流传感器,算法中引入了线性最优负载电流观测器。
由式(1)可得到以下时域状态空间模型来估计负载电流:
式中xo=[iLd iLq vLd vLq]T,uo=[k1iid k1iiq]T;
Ao、Bo分别为观测动态的状态转移矩阵与输入矩阵,负载电流观测器表示为:
且Po是下列方程的解
其中Qo维度与Ao相同,Ro与Bo维度相同,Qo和Ro的选取方式与上述的Q和R的选择相同。
除上述实施例外,本发明还可以有其他实施方式,凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案,均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于状态观测器的构网型合环装备最优电压控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1)三相逆变器的时域状态空间模型在d-q同步参考系中表示为:
其中k1=1/Cf,k2=1/Lf,Cf为输出电容,Lf为输出电感;在时域状态空间模型公式(1)中,vLd、vLq、iid和iiq是状态变量,分别为d、q轴的电压、电流,iLd、iLq分别表示d、q轴负载电流,vid和viq是控制输入,表示桥臂电压,表示iid的微分,表示iiq的微分;
步骤2)定义d、q轴逆变器电流参考值i* id,i* iq为:
因此,三相逆变器的时域状态空间模型公式(1)可以转化为系统误差方程:
式中x=[vde vqe ide iqe]T,u=[vid viq]T,ud=[dd dq]T,
其中dd、dq为控制变量,作为补偿项用于补偿系统不确定性;
步骤3)利用式(4),构建矩阵不等式:
Q+KTRK+P(A-BK)+(A-BK)TP<0 (5);
Q和R为加权矩阵,其中Q与A矩阵维度相同,R与B矩阵维度相同,K为状态反馈控制律,P为待求解矩阵;根据式(5),建立如下线性矩阵不等式模型:
其中Q是具有与A相应维度的正定加权矩阵,R是具有与B相应维度的正定加权矩阵,上标T表示转置,上标-1表示矩阵求逆;
此时最优电压状态反馈控制通过下式得到:
ud和Kx分别表示前馈控制项和状态反馈控制项;
最优电压状态反馈控制最小化以下性能指标:
式中x为误差,un=u+ud为总控制输入;
步骤4)设计系统状态观测器,观测系统状态,用以实施系统状态反馈控制;实施步骤如下所述:
由式(1)可得到以下时域状态空间模型来估计负载电流:
式中xo=[iLd iLq vLd vLq]T,uo=[k1iid k1iiq]T;
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