CN115276084B - 一种应用于水电站柴油发电机黑启动的模糊pid与混合储能协同控制方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于水电站柴油发电机黑启动的模糊PID与混合储能协同控制方法，包括协同控制系统，该系统包括：柴油发电机组、混合储能系统、三相负载，柴油发电机组、混合储能系统均连接三相负载。柴油发电机组包括柴油机及其调速系统，其数学模型包括：调速控制器、执行器、柴油机组、输出部分。混合储能系统包括两个双向DC/DC变换器分别作为蓄电池和超级电容的充放电管理、双向DC/AC变换器的作用则是在蓄电池和超级电容的直流工作环境与柴油发电机的交流工作环境之间进行能量的转换。本发明采用模糊PID与混合储能系统协同控制方法，负载突变时，更能减小系统电压频率的超调量，同时缩短调节时间。

Description

一种应用于水电站柴油发电机黑启动的模糊PID与混合储能 协同控制方法

技术领域

本发明涉及一种水电站发电机组控制技术领域，具体涉及一种应用于水电站柴油发电机黑启动的模糊PID与混合储能协同控制方法。

背景技术

目前设计水电站柴油发电机组的调速系统时，依然大多采用传统PID控制，通过对比例放大系数kp、积分系数ki以及微分系数kd的调整实现快速调速的功能。但是采用传统PID控制方法作为柴油机调速系统的控制方法，一旦确定下来kp、ki以及kd三个系数之后，无法在系统运行时根据不同的需求进行改变，导致调节速度以及超调量不能得到很好的控制。

现在有越来越多的专家学者们开始把模糊控制的思想加入到柴油发电机组的转速调节控制中。不过，传统模糊PID控制方法，依旧只是针对柴油调速系统自身的调速性能做出了改进，当干扰过大时，无法达到有效的控制，特别是应用于水电站黑启动时，由于调速器液压系统、水导油循环系统以及高压油系统等各系统油泵电机启停，厂用电负载功率会随时变化，因此，如果直接仅单一采用传统模糊PID控制方式，黑启动情况下，在负载启停时，厂用电系统的电压和频率势必会出现较大的波动。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于水电站柴油发电机黑启动的模糊PID与混合储能协同控制系统，旨在改善传统的柴油发电机调速系统对系统电压频率的控制性能，黑启动情况下，在负载启停时减小厂用电系统的电压和频率的调节时间和超调量。该控制系统采用模糊PID的控制方法，改善柴油发电机自身的调节功能；同时采用混合储能系统，通过功率控制的方法进一步从外部加强系统调节功能，改善系统调节效果。

本发明采取的技术方案为：

一种应用于水电站柴油发电机黑启动的模糊PID与混合储能协同控制方法，该方法包括协同控制系统，所述协同控制系统包括：柴油发电机组、混合储能系统、三相负载，所述柴油发电机组、混合储能系统均连接三相负载；

所述柴油发电机组包括柴油机及其调速系统、励磁系统、同步发电机，柴油机及其调速系统的数学模型包括：调速控制器、执行器、柴油机组、输出部分；

所述调速控制器，其传递函数G₁(s)为：

式(1)中，e(s)为调速控制器的输入，即转速误差；U(s)为调速控制器的输出，即油门控制信号；k_p为调速控制器的比例放大系数；k_i为调速控制器的积分系数；k_d为调速控制器的微分系数；

所述执行器，其运动增量方程为：

式(2)中，y为喷油泵齿杆的位移；m为执行器滑动杆的质量；D为系统的阻力系数；k_s为执行器弹簧的刚度；△F_m为执行器电磁力的变化。

作为执行器的电磁机构的运动方程为：

ΔF_m＝K_uΔu-K_xΔx (3)；

式中，k_u为执行器的放大系数；k_x为执行器的位移增益和弹簧刚度之和；△u为油门控制信号的变化；△x为喷油泵齿杆的位移变化量。

联合式(2)与(3)且进行拉氏变换后得到：

ms²Δx+DsΔx+K_xΔx＝KuΔu-K_xΔx (4)；

将(4)化简可得执行器的传递函数G₂(s)为：

式中，U(s)为执行器的输入，即油门控制信号；△X(s)为执行器的输出，即喷油泵齿杆的位移变化；ξ_η为执行器的无阻尼自然振荡角频率；ω_η为执行器的阻尼因子；

柴油机组的运动方程为：

式中，J为柴油机组的转动惯量；ω为柴油机组的曲轴角速度；M_d为柴油机组发出的转矩；M_c为柴油机组的阻力矩。

用增量形式可将式(6)表示为：

化简式(7)并忽略负载力矩的影响，能够得转速与喷油泵齿杆位移方程，并将其等效为一阶比例惯性环节，因此，柴油机组运动方程的传递函数G₃(s)为:

式中，k_η为柴油机的放大系数；T_a为柴油机的加速时间常数；T_g为柴油机的自稳定系数。

所述输出部分，用于将柴油机组输出的转速转变成机械功率，作为柴油发电机组的同步发电机的输入量。

该协同控制系统中的调速控制器实行模糊PID控制时，对误差e、误差的变化率Δe进行分析，根据不同的情况，采用固定的论域，自动调整调速控制器采用的模糊PID控制原理框图4中，PID控制模块的k_p、k_i、k_d三个系数。

误差e、误差的变化率Δe处于不同工况时，自适应调整k_p、k_i、k_d的规则包括：

(1)：e、Δe均较大的工况：说明系统在启动阶段或者改变输入量，此时应增大比例系数k_p以加快系统调节时间，同时采用较小的积分系数k_i使系统的超调量得到有效的控制。

(2)：e较小、Δe较大的工况：说明外界干扰使系统产生波动，此时应增大微分系数k_d使系统误差产生之前进行超前调节消除。

(3)：e较大、Δe较小的工况：说明系统稳态误差较大，此时应增大积分系数k_i以消除系统稳态误差,提高系统的稳态精度。

(4)：e、Δe均较小的工况：说明系统基本处于稳定状态，此时应增大k_p、k_i值以增加系统精度。

当采用模糊PID控制时，输入量为e、Δe，输出量为△k_p、△k_i、△k_d；模糊子集均采用{NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}，从左到右的元素依次代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，论域均采用[-6,6]的区间。

用e乘以误差的模糊因子k_e、Δe乘以误差变化率的模糊因子k_Δe，使调速控制器采用的模糊PID控制原理框图4中的模糊控制器的两个输入都处于[-6,6]区间。与此同时，基于模糊PID控制策略的输出量△k_p、△k_i、△k_d分别乘以对应的解模糊因子f_kp、f_ki、f_kd，以达到改变PID系数的效果；自适应调整以后，模糊PID的三个系数k_p、k_i、k_d分别表示为：

K_p＝K_p0+ΔK_p×f_kp

K_i＝K_i0+ΔK_i×f_ki

K_d＝K_d0+ΔK_d×f_kd (9)；

式中，k_p0、k_i0、k_d0依次为k_p、k_i、k_d的初始值。

所述混合储能系统包括：蓄电池、超级电容、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器、双向DC/AC变换器、变压器、电容C0；混合储能系统中：

蓄电池两极连接第一双向DC/DC变换器的一侧；

超级电容两端连接第二双向DC/DC变换器的一侧；

第一双向DC/DC变换器的另一侧并联连接电容C0；

第二双向DC/DC变换器的另一侧并联连接电容C0；

双向DC/AC变换器的DC端并联连接电容C0；电容C0起到稳压滤波作用。

双向DC/AC变换器的AC端三相对应连接变压器一侧三相；

变压器的另一侧三相分别对应连接交流电网三相；

各个部件之间的连接关系如图6所示。

混合储能系统控制策略为：采集柴油发电机转速，当转速大于设定值时，说明此时柴油发电机功率大于负载功率，除了发电机调速系统自身调节之外，需要混合储能系统吸收多余的能量，来加快系统稳定，于是混合储能系统总指令功率为负；

当转速小于设定值时，说明此时柴油发电机功率小于负载功率，除了发电机调速系统自身调节之外，需要混合储能系统发出能量，来加快系统稳定，于是混合储能系统总指令功率为正。

由于蓄电池和超级电容本身的充放电特性，将总指令功率通过低通滤波器后，作为蓄电池指令功率，其余的作为超级电容指令功率。

双向DC/AC变换器控制策略为：电压外环电流内环的双环控制，具体为：

当混合储能系统处于放电模式时，直流母线电容电压升高，U_{dc_ref}－U_dc＜0，电压外环输出的指令电流I_{d_ref}＜0，故双向DC/AC变换器处于逆变模式，向柴油发电机的三相交流网络发出有功功率；

当混合储能系统处于充电模式时，直流母线电容电压降低，U_{dc_ref}－U_dc＞0，电压外环输出的指令电流I_{d_ref}＞0，故双向DC/AC变换器处于整流模式，从柴油发电机的三相交流网络吸收有功功率。

本发明一种应用于水电站柴油发电机黑启动的模糊PID与混合储能协同控制方法，技术效果如下：

1)本发明控制方法采用模糊PID的控制方法，改善柴油发电机自身的调节功能；同时采用混合储能系统，通过功率控制的方法进一步从外部加强系统调节功能，改善系统调节效果。

2)本发明控制方法相比传统单一的的PID控制或模糊PID控制方式，采用模糊PID与混合储能系统协同控制方法，负载突变时，更能减小系统电压频率的超调量，同时缩短调节时间。

附图说明

图1是本发明控制方法的控制系统结构图。

图2是柴油发电机组结构图。

图3是柴油机及其调速系统数学模型图。

图4是模糊PID控制原理框图。

图5是模糊PID控制隶属度函数论域及模糊划分图。

图6是混合储能系统结构图。

图7是Buck/Boost型双向DC/DC变换器结构图。

图8是混合储能系统功率分配框图。

图9是双向DC/DC变换器控制策略框图。

图10是双向DC/AC变换器结构图。

图11是双向DC/AC变换器控制框图。

图12是基于模糊PID与混合储能系统协同控制的柴油发电机组模型图。

图13是启动时的转速变化曲线图。

图14是三相短路故障及故障修复时的转速变化曲线图。

图15是突加突卸负载时的转速变化曲线图。

图16是混合储能系统充放电功率曲线图。

具体实施方式

一种应用于水电站柴油发电机黑启动的模糊PID与混合储能协同控制系统，如图1所示，包括柴油发电机组、混合储能系统、母线、三相负载。

柴油发电机组结构图如图2所示，鉴于柴油发电机组的内部构造过于繁琐，为方便电气特性仿真起见，需要对其内部结构进行适当简化处理，如：1)把柴油的燃烧时间、气体的流动时间等用一阶滞后环节代替；2)忽略柴油燃烧时的温度变化产生的影响；3)忽略各组成部件之间信号传递的延时等。通过对柴油机调速系统中各个部分进行简化处理后，推导出其转速和转矩的简化方程式，并转化成传递函数，建立其传递函数形式的数学模型。柴油机及其调速系统数学模型如图3所示，它包括主控制器、放大单元、执行器、柴油机组、积分单元、机组延迟(单元)几个关键性部件，现将它们的模型分别进行解释说明。

主控制器和放大单元构成了柴油机及其调速系统的调速控制器，它是整个调速系统的核心部分，且基于传统PID控制方法的传递函数G1(s)为：

式中，e(s)为调速控制器的输入，即转速误差；U(s)为调速控制器的输出，即油门控制信号；k_p为调速控制器的比例放大系数；k_i为调速控制器的积分系数；k_d为调速控制器的微分系数。

虽然采用基于模糊PID与混合储能系统协同控制时，其调速控制器的传递函数与式(1)相同，不过，它们的显著区别在于：传统PID控制的比例系数k_p、积分系数k_i、微分系数k_d是固定的，而采用模糊PID与混合储能系统协同控制时，比例系数k_p、积分系数k_i、微分系数k_d则是可以自动调整。

柴油发电机调速系统的执行器采用直流伺服电机，其功能为根据输入的油门控制信号，通过直流伺服电的电磁铁改变喷油泵齿杆位移，确保柴油机喷油量实时改变。执行器的运动增量方程为：

式中，y为喷油泵齿杆的位移；m为执行器滑动杆的质量；D为系统的阻力系数；k_s为执行器弹簧的刚度；△F_m为执行器电磁力的变化。

电磁机构的运动方程为：

ΔF_m＝K_uΔu-K_xΔx (3)；

式中，k_u为执行器的放大系数；k_x为执行器的位移增益和弹簧刚度之和；△u为油门控制信号的变化；△x为喷油泵齿杆的位移变化量。

联合式(2)与(3)且进行拉氏变换后得到：

ms²Δx+DsΔx+K_xΔx＝K^uΔu-K_xΔx (4)；

将(4)化简可得执行器的传递函数G₂(s)为：

式中，U(s)为执行器的输入，即油门控制信号；△X(s)为执行器的输出，即喷油泵齿杆的位移变化；ξ_η为执行器的无阻尼自然振荡角频率；ω_η为执行器的阻尼因子。

仿真采用的参数设置为：k_u＝1、ξ_η＝1.414、ω_η＝35.355。

根据达朗倍尔原理，可得柴油机组的运动方程为：

式中，J为柴油机组的转动惯量；ω为柴油机组的曲轴角速度；M_d为柴油机组发出的转矩；M_c为柴油机组的阻力矩。

用增量形式可将式(6)表示为：

化简式(7)并忽略负载力矩的影响，可得转速与喷油泵齿杆位移方程，并将其等效为一阶比例惯性环节，因此，柴油机组运动方程的传递函数G₃(s)为:

式中，k_η为柴油机的放大系数；T_a为柴油机的加速时间常数；T_g为柴油机的自稳定系数。

仿真采用的参数设置为：k_η＝1、T_a＝0.0384、k_η＝1。

柴油机及其调速系统的输出部分由图3所示的积分单元、机组延迟(单元)、乘积(单元)组成。其功能是将柴油机组输出的转速转变成机械功率，作为柴油发电机组的同步发电机的输入量。

仿真采用的参数设置为：机组延迟时间T_d＝0.024。

模糊PID控制的核心思想就是通过对误差e、以及误差的变化率Δe进行分析，根据不同的情况，采用固定的论域，自动调整调速控制器采用的模糊PID控制原理框图4中，PID控制模块的k_p、k_i、k_d三个系数，其控制原理框图如图4所示。图4中：r(t)为输入参考值、y(t)为输出实际值、△k_p表示比例放大系数k_p的调整量、△k_i表示积分系数k_i的调整量、△k_d表示微分系数k_d的调整量。

基于PID控制策略中的三个系数k_p、k_i、k_d的作用分别简述如下：

(1)比例系数k_p：按比例放大输入的误差。当k_p设置较大时,可以有效地缩短系统的调节时间，同时可以减小系统的超调量。但如果设置过大,会降低系统的稳定性，使系统震荡时间变长。

(2)积分系数k_i：对系统的误差进行积分处理。当k_i设置较大时,可以消除系统稳态误差,提高系统的稳态精度。但如果设置过大,会降低系统的稳定性,并且使系统的动态响应速度减慢。

(3)微分系数k_d：反映系统误差的变化率。当微分系数k_d设置较大时，可以在系统误差产生之前消除，有超前调节的作用。但如果设置过大,会放大外界干扰,使系统不稳定。

结合PID控制的三个系数k_p、k_i、k_d各自的作用，将e、Δe处于不同工况时自适应调整上述三个参数的规则总结为四种情况：

1)：e、Δe均较大的工况：说明系统在启动阶段或者改变输入量，此时应增大比例系数k_p以加快系统调节时间，同时采用较小的积分系数k_i使系统的超调量得到有效的控制。

2)：e较小、Δe较大的工况：说明外界干扰使系统产生波动，此时应增大微分系数k_d使系统误差产生之前进行超前调节消除。

3)：e较大、Δe较小的工况：说明系统稳态误差较大，此时应增大积分系数k_i以消除系统稳态误差,提高系统的稳态精度。

4)：e、Δe均较小的工况：说明系统基本处于稳定状态，此时应增大k_p、k_i值以增加系统精度。

当采用模糊PID控制时，输入量为e、Δe，输出量为△k_p、△k_i、△k_d。模糊子集均采用{NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}，从左到右的元素依次代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，论域均采用[-6,6]的区间。

本发明在MATLAB的模糊逻辑设计工具Fuzzy Logic Designer中编辑隶属度函数，且输入和输出均采用三角型trimf，其论域及模糊划分如图5所示。结合PID控制的三个系数△k_p、△k_i、△k_d的不同作用，直接将它们的自适应调整规则总结于表1～表3中。

表1 △k_p的调整规则

e/Δe

NL

NM

NS

ZE

PS

PM

PL

NL

PL

PL

PL

PM

PM

PS

ZE

NM

PL

PL

PL

PM

PM

PS

ZE

NS

PL

PM

PM

ZE

PS

ZE

PS

ZE

PM

PS

PS

NS

ZE

NS

NS

PS

PS

ZE

ZE

NS

NS

NM

NM

PM

ZE

ZE

NS

NM

NM

NM

NL

PL

ZE

NS

NM

NM

NL

NL

NL

表2△k_ii的调整规则

e/Δe

NL

NM

NS

ZE

PS

PM

PL

NL

NL

NL

NM

NM

NS

ZE

ZE

NM

NL

NM

NM

NS

NS

ZE

ZE

NS

NM

NM

NS

ZE

ZE

PS

PS

ZE

NM

NS

ZE

ZE

PS

PS

PM

PS

NS

ZE

ZE

PS

PS

PM

PM

PM

ZE

ZE

PS

PM

PM

PM

PL

PL

ZE

ZE

PM

PM

PL

PL

PL

表3△k_d的调整规则

e/Δe

NL

NM

NS

ZE

PS

PM

PL

NL

PS

NS

NL

NL

NL

NM

PS

NM

PS

NS

NL

NM

NM

NS

ZE

NS

ZE

NS

NM

NM

NS

NS

ZE

ZE

ZE

NS

NS

NS

NS

NS

ZE

PS

ZE

ZE

ZE

ZE

ZE

ZE

ZE

PM

PL

NS

PS

PS

PS

PS

PL

PL

PL

PM

PM

PM

PS

PS

PL

如上所述，将设计的基础论域约束在[-6,6]区间，但在实际控制器中，系统的e和Δe并不属于在这个范围内，需要用e乘以误差的模糊因子k_e、Δe乘以误差变化率的模糊因子k_Δe，使模糊PID控制器的两个输入都处于[-6,6]区间。与此同时，基于模糊PID控制策略的输出量△k_p、△k_i、△k_d也要分别乘以对应的解模糊因子f_kp、f_ki、f_kd以达到改变PID系数的效果。自适应调整以后，模糊PID的三个系数k_p、k_i、k_d分别表示为：

K_p＝K_p0+ΔK_pf_kp

K_i＝K_i0+ΔK_i×f_ki

K_d＝K_d0+ΔK_d×f_kd (9)；(9)；

式中，k_p0、k_i0、k_d0依次为k_p、k_i、k_d的初始值。

为增加柴油发电机组在面对不同工作环境变化时的调速效果，本发明在图1的基础上加入混合储能系统。考虑到混合储能系统中，蓄电池和超级电容是直流元件，而柴油发电机为主电网提供的是三相交流电，混合储能系统结构图如图6所示。混合储能系统中：

蓄电池两极连接第一双向DC/DC变换器的一侧；

超级电容两端连接第二双向DC/DC变换器的一侧；

第一双向DC/DC变换器的另一侧并联连接电容C0；

第二双向DC/DC变换器的另一侧并联连接电容C0；

双向DC/AC变换器的DC端并联连接电容C0；

双向DC/AC变换器的AC端三相对应连接变压器一侧三相；

变压器的另一侧三相分别对应连接交流电网三相；

各个部件之间的连接关系如图6所示。

其中，两个双向DC/DC变换器分别作为蓄电池和超级电容的充放电管理、双向DC/AC变换器的作用则是在蓄电池和超级电容的直流工作环境与柴油发电机的交流工作环境之间进行能量的转换。

考虑到蓄电池和超级电容对双向DC/DC变换器没有隔离的需求，同时为了减少成本以及控制简便，本发明采用Buck/Boost型双向DC/DC变换器，其结构图如图7所示。

在系统产生波动时，三相交流母线主要变化的因素有频率和电压，分别通过柴油发电机组的调速系统和励磁系统进行调节，而调速系统相对于励磁系统而言调节功能较差，于是本发明的混合储能系统，主要针对柴油发电机的调速系统设计，其混合储能系统功率分配框图如图8所示。其中：ω_ref为柴油发电机参考转速，ω为柴油发电机实际转速，P_{hess_ref}为混合储能系统总指令功率，P_{bat_ref}为蓄电池指令功率，P_{sc_ref}为超级电容指令功率。

由图8可知，本发明采用的控制策略为：采集柴油发电机转速，当转速大于设定值时，说明此时柴油发电机功率大于负载功率，除了发电机调速系统自身调节之外，需要混合储能系统吸收多余的能量，来加快系统稳定，于是混合储能系统总指令功率为负；当转速小于设定值时，说明此时柴油发电机功率小于负载功率，除了发电机调速系统自身调节之外，需要混合储能系统发出能量，来加快系统稳定，于是混合储能系统总指令功率为正。由于蓄电池和超级电容本身的充放电特性，将总指令功率通过低通滤波器后作为蓄电池指令功率，其余的作为超级电容指令功率。

双向DC/DC变换器控制策略框图如图9所示，其中：I_{bat_ref}为蓄电池指令电流，I_bat为蓄电池实际电流，I_{sc_ref}为超级电容指令电流，I_sc为超级电容实际电流，D_bat为蓄电池支路双向DC/DC占空比，D_bat为超级电容支路双向DC/DC占空比。通过混合储能系统进行功率分配后，将蓄电池和超级电容的指令功率分别除以自身电压，得到蓄电池和超级电容的指令电流，通过PI后得到占空比。

其中，比较器1与比较器2的作用是通过蓄电池和超级电容指令电流的正负号，判断充放电模式，当指令电流为正，即指令功率为正时，此时混合储能系统发出能量，比较器1工作，比较器2不工作，双向DC/DC处于BOOST状态；当指令电流为负，即指令功率为负时，此时混合储能系统吸收能量，比较器1不工作，比较器2工作，双向DC/DC处于BUCk状态。由于柴油发电机组在没有波动的情况下工作时，也不可能保证实际转速与参考转速100％一致，所以为了防止双向DC/DC频繁工作，当指令电流较小，即实际转速与参考转速误差较小时，双向DC/DC处于停机状态。

双向DC/AC变换器拓扑图如图10所示，其中：C为直流母线电容，D₁到D₆为IGBT，R为滤波电容，L为滤波电感。

双向DC/AC变换器控制策略为电压外环电流内环的双环控制，其解耦后的控制框图如图11所示。其中：U_{dc_ref}为直流母线电压的参考值，U_dc为直流母线电压的实际值，I_{d_ref}为两相旋转坐标系下d轴电流的指令值，I_d为两相旋转坐标系下d轴电流的实际值，I_{q_ref}为两相旋转坐标系下q轴电流的指令值，I_q为两相旋转坐标系下q轴电流的实际值，ωL为滤波电感等效阻抗，U_{d_ref}为两相旋转坐标系下d轴电压的指令值，U_d为两相旋转坐标系下d轴电压的实际值，U_{q_ref}为两相旋转坐标系下q轴电压的指令值，U_q为两相旋转坐标系下q轴电压的实际值。

当混合储能系统处于放电模式时，直流母线电容电压升高，U_{dc_ref}－U_dc＜0，电压外环输出的指令电流I_{d_ref}＜0，故双向DC/AC变换器处于逆变模式，向柴油发电机的三相交流网络发出有功功率；当混合储能系统处于充电模式时，直流母线电容电压降低，U_{dc_ref}－U_dc＞0，电压外环输出的指令电流I_{d_ref}＞0，故双向DC/AC变换器处于整流模式，从柴油发电机的三相交流网络吸收有功功率。

为了验证所提出的基于模糊PID与混合储能系统协同控制的柴油发电机组调速性能的提升，采用Matlab/simulink仿真软件搭建基于模糊PID与混合储能系统协同控制的柴油发电机组的仿真模型，如图12所示，它由柴油机及调速系统、励磁系统、6MVA同步电机、混合储能系统和三相负载几个环节组成。为阐释方便起见，将关键性仿真参数总结于表4中。

表4关键性仿真参数列表

由于柴油发电机功率很大，而混合储能系统功率较小，所以混合储能系统功率控制仅在系统正常工作中产生波动时工作。而在系统油泵电机启动或三相故障时，由于此时混合储能系统提供的功率过小，为了防止混合储能系统过度充放电，于是此时将混合储能系统停机。

系统启动时的转速变化曲线，如图13所示。由图13可得，当系统处于启动阶段时，传统PID控制的超调量大于0.045、调节时间大于8s，采用模糊PID控制后超调量减小到0.002，调节时间缩短为2.5s。可知采用模糊PID后，超调量得到很好的控制，同时能有效地减小超调时间。

为分析方便起见，假设当40s时对系统进行三相短路故障及故障修复模拟，60s时故障修复。系统三相短路故障及故障修复时转速的变化情况，如图14所示。由图14可得，当系统在发生三相短路故障的情况下，传统PID控制的超调量大于0.09、调节时间大于10s，采用模糊PID控制后超调量减小到0.04，调节时间缩短为3.5s。当系统在三相短路故障修复，传统PID控制的超调量大于0.05、调节时间大于7s，采用模糊PID控制后超调量减小到0.02，调节时间缩短为4.5s。可知采用模糊PID后，可以有效地减小超调量和超调时间。

为分析方便起见，假设当15s时突卸50％负载，20s时突加50％负载。系统突加突卸负载时转速的变化情况，如图15所示。此时混合储能系统中蓄电池和超级电容的充放电功率如图16所示。由图15可得，在突加突卸负载50％负载时，传统PID控制超调量大于0.037，并且调节时间大于4s，模糊PID控制有一定改善，但依然超调量依然大于0.024且调节时间大于2.5s。由图15、图16分析可得，采用模糊PID与混合储能系统协同控制时，混合储能系统可以根据转速的波动调整充放电的模式及功率，有效地在模糊控制的基础上减小系统突加突卸负载时的超调量，仅为0.019；同时缩短调节时间，仅为1.5s。

Claims (6)

1.一种应用于水电站柴油发电机黑启动的模糊PID与混合储能协同控制方法，该方法包括协同控制系统，所述协同控制系统包括：柴油发电机组、混合储能系统、三相负载，所述柴油发电机组、混合储能系统均连接三相负载；

所述柴油发电机组包括柴油机及其调速系统、励磁系统、同步发电机，柴油机及其调速系统的数学模型包括：调速控制器、执行器、柴油机组、输出部分；

所述调速控制器，其传递函数G₁(s)为：

(1)；

式（1）中，e(s)为调速控制器的输入；U(s)为调速控制器的输出；k _p为调速控制器的比例放大系数；k _i为调速控制器的积分系数；k _d为调速控制器的微分系数；

所述执行器，其运动增量方程为：

(2)；

式（2）中，y为喷油泵齿杆的位移；m为执行器滑动杆的质量；D为系统的阻力系数；k _s为执行器弹簧的刚度；△F _m为执行器电磁力的变化；

作为执行器的电磁机构的运动方程为：

(3)；

式中，k _u为执行器的放大系数；k _x为执行器的位移增益和弹簧刚度之和；△u为油门控制信号的变化；△x为喷油泵齿杆的位移变化量；

联合式(2)与(3)且进行拉氏变换后得到：

(4)；

将(4)化简可得执行器的传递函数G ₂(s)为：

(5)；

式中，U(s)为执行器的输入；△X(s)为执行器的输出；ξ _η为执行器的无阻尼自然振荡角频率；ω _η为执行器的阻尼因子；

柴油机组的运动方程为：

(6)；

式中，J为柴油机组的转动惯量；ω为柴油机组的曲轴角速度；M _d为柴油机组发出的转矩；M _c为柴油机组的阻力矩；

用增量形式可将式（6）表示为：

(7)；

化简式(7)并忽略负载力矩的影响，能够得转速与喷油泵齿杆位移方程，并将其等效为一阶比例惯性环节，因此，柴油机组运动方程的传递函数G ₃(s)为:

(8)；

式中，k _η为柴油机的放大系数；T _a为柴油机的加速时间常数；T _g为柴油机的自稳定系数；

所述输出部分，用于将柴油机组输出的转速转变成机械功率，作为柴油发电机组的同步发电机的输入量；

混合储能系统控制策略为：

采集柴油发电机转速，当转速大于设定值时，说明此时柴油发电机功率大于负载功率，除了发电机调速系统自身调节之外，需要混合储能系统吸收多余的能量，来加快系统稳定，于是混合储能系统总指令功率为负；

当转速小于设定值时，说明此时柴油发电机功率小于负载功率，除了发电机调速系统自身调节之外，需要混合储能系统发出能量，来加快系统稳定，于是混合储能系统总指令功率为正；

由于蓄电池和超级电容本身的充放电特性，将总指令功率通过低通滤波器后，作为蓄电池指令功率，其余的作为超级电容指令功率；

双向DC/AC变换器控制策略为：电压外环电流内环的双环控制，具体为：

当混合储能系统处于放电模式时，直流母线电容电压升高，U _{dc_ref}－U _dc＜0，电压外环输出的指令电流I _{d_ref}＜0，故双向DC/AC变换器处于逆变模式，向柴油发电机的三相交流网络发出有功功率；

当混合储能系统处于充电模式时，直流母线电容电压降低， U _{dc_ref}－U _dc＞0，电压外环输出的指令电流I _{d_ref}＞0，故双向DC/AC变换器处于整流模式，从柴油发电机的三相交流网络吸收有功功率。

2.根据权利要求1所述一种应用于水电站柴油发电机黑启动的模糊PID与混合储能协同控制方法，其特征在于：所述协同控制系统中的调速控制器实行模糊PID控制时，对误差e、误差的变化率∆e进行分析，根据不同的情况，采用固定的论域，自动调整PID控制模块的k _p、k _i、k _d三个系数。

3.根据权利要求2所述一种应用于水电站柴油发电机黑启动的模糊PID与混合储能协同控制方法，其特征在于：误差e、误差的变化率∆e处于不同工况时，自适应调整k _p、k _i、k _d的规则包括：

（1）：e、∆e均较大的工况：说明系统在启动阶段或者改变输入量，此时应增大比例系数k _p以加快系统调节时间，同时采用较小的积分系数k _i使系统的超调量得到有效的控制；

（2）：e较小、∆e较大的工况：说明外界干扰使系统产生波动，此时应增大微分系数k _d使系统误差产生之前进行超前调节消除；

（3）：e较大、∆e较小的工况：说明系统稳态误差较大，此时应增大积分系数k _i以消除系统稳态误差,提高系统的稳态精度；

（4）：e、∆e均较小的工况：说明系统基本处于稳定状态，此时应增大k _p、k _i值以增加系统精度。

4. 根据权利要求3所述一种应用于水电站柴油发电机黑启动的模糊PID与混合储能协同控制方法，其特征在于：当采用模糊PID控制时，输入量为e、∆e，输出量为△k _p、△k _i、△k _d；模糊子集均采用{ NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}，从左到右的元素依次代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，论域均采用[-6,6]的区间。

5.根据权利要求3所述一种应用于水电站柴油发电机黑启动的模糊PID与混合储能协同控制方法，其特征在于：用e乘以误差的模糊因子k _e、∆e乘以误差变化率的模糊因子k _∆e，使调速控制器采用的模糊控制器的两个输入都处于[-6,6]区间；与此同时，基于模糊PID控制策略的输出量△k _p、△k _i、△k _d分别乘以对应的解模糊因子f _kp、f _ki、f _kd，以达到改变PID系数的效果；自适应调整以后，模糊PID的三个系数k _p、k _i、k _d分别表示为：

(9)；

式中，k _p0、k _i0、k _d0依次为k _p、k _i、k _d的初始值。

6.根据权利要求1所述一种应用于水电站柴油发电机黑启动的模糊PID与混合储能协同控制方法，其特征在于：所述混合储能系统包括：蓄电池、超级电容、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器、双向DC/AC变换器、变压器、电容C0；混合储能系统中：

蓄电池两极连接第一双向DC/DC变换器的一侧；

超级电容两端连接第二双向DC/DC变换器的一侧；

第一双向DC/DC变换器的另一侧并联连接电容C0；

第二双向DC/DC变换器的另一侧并联连接电容C0；

双向DC/AC变换器的DC端并联连接电容C0；

双向DC/AC变换器的AC端三相对应连接变压器一侧三相；

变压器的另一侧三相分别对应连接交流电网三相。