本發(fā)明涉及一種交直流斷面多換流器的控制方法。特別是涉及一種混合微網(wǎng)中交直流斷面多換流器的協(xié)調(diào)控制方法。

背景技術(shù)：

當今能源與環(huán)境問題日益凸顯，發(fā)展利用可再生能源已成為共識。微網(wǎng)作為一種包含可再生能源等分布式發(fā)電技術(shù)的綜合集成技術(shù)，憑借其對可再生能源的高度兼容性和對分布式發(fā)電的靈活調(diào)控能力，在日益強調(diào)節(jié)能環(huán)保的今天得到了業(yè)內(nèi)的普遍重視。交直流混合微網(wǎng)可綜合發(fā)揮交流微網(wǎng)與直流微網(wǎng)的互補優(yōu)勢，擁有更加廣泛的適用領(lǐng)域。

交直流混合微網(wǎng)運行控制問題是一個高維度、非線性、多電力電子器件的復(fù)雜系統(tǒng)控制問題。傳統(tǒng)數(shù)學(xué)控制方法及其改進控制算法計算精確，但通常對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型精度有很高要求，當系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生較小變化時會嚴重影響控制效果，魯棒性較差而且求解難度大。近些年來，h∞魯棒控制理論發(fā)展迅速，在航天器控制方面得到了大規(guī)模應(yīng)用，而在電力系統(tǒng)控制方面應(yīng)用較少。

在經(jīng)典理論中一般只分析單回路攝動，得到的穩(wěn)定域往往大于多回路同時攝動。因此設(shè)計的控制器可能出現(xiàn)不穩(wěn)定情況?；诨芈烦尚蔚膆∞mimo設(shè)計方法通過求解黎卡提方程能求得保證系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)定的控制器，并能根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計多回路同時攝動的最大容許范圍。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠提高系統(tǒng)魯棒性的混合微網(wǎng)中交直流斷面多換流器的協(xié)調(diào)控制方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種混合微電網(wǎng)中交直流斷面多換流器的協(xié)調(diào)控制方法，包括如下步驟：

1)根據(jù)交直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，具體是考慮boost電路開關(guān)非線性的特性，根據(jù)數(shù)值理論，采用平均狀態(tài)法，建立boost電路的數(shù)學(xué)模型；

2)考慮到交直流混合微電網(wǎng)中多個boost電路、光伏發(fā)電、微電網(wǎng)負荷和交流斷面中多個換流器的特性，根據(jù)加權(quán)混合靈敏度問題的h∞設(shè)計方法，將影響微電網(wǎng)控制效果的輸入量進行分離，劃分為可控變量和干擾量，即分為能夠調(diào)節(jié)的電氣量和不能夠調(diào)節(jié)的電氣量，建立狀態(tài)空間；

3)基于加權(quán)混合靈敏度問題的h∞方法，設(shè)計交直流混合微電網(wǎng)交直流潮流斷面多換流器k∞協(xié)調(diào)控制器。

步驟1)首先得到線性化的boost電路的數(shù)學(xué)模型

化簡得到：

式中，

ids為boost電路升壓電感電流，t1為開關(guān)導(dǎo)通時間，t2為開關(guān)周期，ui1為boost電路輸入電壓，ld1為boost電路升壓電感的電抗值，ud1為boost電路電容電壓，cd1為boost電路電容值，rd1為boost電路等效直流電阻，uo為boost電路輸出電壓。

步驟2)所述的將影響微電網(wǎng)控制效果的輸入量進行分離，是將boost電路輸入電壓作為干擾量，將換流器濾波電容作為控制量，建立狀態(tài)空間方程：

其中，

c＝[000r/rd1r/rd1r/rd1]d2＝[000r/r1r/r2r/r3]

并且有，

rin＝1/(1/r1+1/r2+1/r3+1/rl)

s＝1/rd1+1/rd2+1/rd3+1/rin

r＝1/s

其中，各符號的定義如下：ld1/ld2/ld3為boost電路升壓電感，c1/c2/c3為直流濾波電容，d1/d2/d3為boost電路占空比，l1/l2/l3為直流濾波電感，cd1/cd2/cd3為boost電路高端壓容，r1/r2/r3為濾波器與線路等效電阻，rd1/rd2/rd3為boost電路高壓端直流輸入電阻，rl為負荷等效電阻。

步驟3)包括：

(1)建立加權(quán)混合靈敏度動態(tài)結(jié)構(gòu)方程如下式，

在混合靈敏度設(shè)計方法中選取輸出量y與參考值r的誤差e作為控制器k∞的輸入量，g是被控對象的控制輸入量到輸出量的傳遞函數(shù)g(s)；z1、z2、z3為設(shè)計過程中衡量k∞控制器的三個指標，其中，z1衡量直流母線電壓對參考值的追蹤能力，z1也是衡量不可控輸入發(fā)生變化時，誤差大小的指標，z2衡量在控制器作用下閉環(huán)系統(tǒng)對加性攝動的容許度，z3衡量控制器作用下閉環(huán)系統(tǒng)對乘性攝動的容許度；u是控制量；w1、w2、w3為權(quán)函數(shù)；

(2)選擇加權(quán)函數(shù)，根據(jù)控制器k∞需要對各指標壓縮的頻段對w1、w2、w3三個權(quán)函數(shù)的帶寬進行設(shè)計；

(3)利用標準2-riccati方程對加權(quán)混合靈敏度動態(tài)結(jié)構(gòu)方程進行求解得到控制器k∞。

第(3)步所述的求解是利用matlab軟件中的魯棒控制工具箱中的hinf函數(shù)求解，或是利用mixsyn函數(shù)求解，或是利用hinfsyn函數(shù)求解。

本發(fā)明的一種混合微網(wǎng)中交直流斷面多換流器的協(xié)調(diào)控制方法，具有如下有益效果：

(1)克服了經(jīng)典控制理論在處理mimo系統(tǒng)穩(wěn)定域時的不足之處。

(2)基于加權(quán)混合靈敏問題的h∞方法將魯棒性能直接反映在系統(tǒng)的設(shè)計指標中，不確定性反映在相應(yīng)的權(quán)函數(shù)上。根據(jù)要設(shè)計的性能指標，可靈活通過調(diào)整權(quán)函數(shù)，不斷提高控制器性能。使得控制對象在實際中所存在的建模不確定性和參數(shù)攝動問題能很好地在h∞控制下得到解決。

(3)根據(jù)交直流混合微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，建立數(shù)學(xué)模型，解決了系統(tǒng)中boost電路和換流器非線性元件帶來的系統(tǒng)的穩(wěn)定問題和控制精度問題。基于目前boost電路普遍采用mppt算法控制的前提下，本發(fā)明中h∞設(shè)計方法能夠協(xié)調(diào)求解各個換流器中的控制器，使性能指標最優(yōu)。因此控制器k∞能提高換流系統(tǒng)的響應(yīng)速度，充分發(fā)揮每臺換流器的作用，有利于交直流能量互動，保證直流系統(tǒng)電壓質(zhì)量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明適用的一種交直流混合微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明交直流混合微網(wǎng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明適用于交直流微電網(wǎng)的控制圖；

圖4是本發(fā)明中標準h∞控制問題說明圖；

圖5是本發(fā)明中加權(quán)混合靈敏度動態(tài)結(jié)構(gòu)圖；

圖6是本發(fā)明中的交直流微電網(wǎng)等值模型圖；

圖7是pv輸出電壓跌落10kv時，h∞控制與pi控制效果對比圖；

圖8是pv出力降低時，h∞控制與pi控制效果對比圖；

圖9是直流負荷變化時，h∞控制與pi控制效果對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的一種混合微網(wǎng)中交直流斷面多換流器的協(xié)調(diào)控制方法做出詳細說明。

本發(fā)明的一種混合微電網(wǎng)中交直流斷面多換流器的協(xié)調(diào)控制方法，是要克服傳統(tǒng)方法及智能算法對非線性系統(tǒng)對模型精度的嚴格要求，利用h∞魯棒控制理論，提出加權(quán)靈敏度協(xié)調(diào)控制方法。本發(fā)明以交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)的對加性攝動和乘性攝動的容許度以及追蹤誤差為指標，根據(jù)回路成形原理，建立系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，確定廣義被控對象。按照實際工程中對各個指標的要求，確定加權(quán)函數(shù)。通過對各個權(quán)重函數(shù)的控制，可以控制各個指標的性能。利用現(xiàn)行矩陣不等式方法進行求解控制器。

本發(fā)明的一種混合微電網(wǎng)中交直流斷面多換流器的協(xié)調(diào)控制方法，包括如下步驟：

1)根據(jù)交直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，具體是考慮boost電路開關(guān)非線性的特性，根據(jù)數(shù)值理論，采用平均狀態(tài)法，建立boost電路的數(shù)學(xué)模型；

首先得到線性化的boost電路的數(shù)學(xué)模型

化簡得到：

式中，ids為boost電路升壓電感電流，t1為開關(guān)導(dǎo)通時間，t2為開關(guān)周期，ui1為boost電路輸入電壓，ld1為boost電路升壓電感的電抗值，ud1為boost電路電容電壓，cd1為boost電路電容值，rd1為boost電路等效直流電阻，uo為boost電路輸出電壓。。

2)考慮到交直流混合微電網(wǎng)中多個boost電路、光伏發(fā)電、微電網(wǎng)負荷和交流斷面中多個換流器的特性，根據(jù)加權(quán)混合靈敏度問題的h∞設(shè)計方法，將影響微電網(wǎng)控制效果的輸入量進行分離，劃分為可控變量和干擾量，即分為能夠調(diào)節(jié)的電氣量和不能夠調(diào)節(jié)的電氣量，建立狀態(tài)空間；

在交直流混合微電網(wǎng)中，考慮到光伏發(fā)電功率的不穩(wěn)定特性，boost電路的非線性，各種設(shè)備參數(shù)變化對微電網(wǎng)直流母線造成的干擾。而交流側(cè)較為穩(wěn)定，通過換流器與微電網(wǎng)相連，增強微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。光伏發(fā)電的控制方式一般為mppt算法，為了保證最大功率追蹤，boost電路的輸入電壓會不斷改變，進而影響到微電網(wǎng)的供電質(zhì)量和穩(wěn)定性。本專利是采用的控制策略是通過控制換流器達到控制可控電氣量，從而補償干擾量引起的微電網(wǎng)電氣量變化。

所述的將影響微電網(wǎng)控制效果的輸入量進行分離，是將boost電路輸入電壓作為干擾量，將換流器濾波電容作為控制量，微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，所述的建立狀態(tài)空間方程：

其中，

c＝[000r/rd1r/rd1r/rd1]d2＝[000r/r1r/r2r/r3]

并且有，

rin＝1/(1/r1+1/r2+1/r3+1/rl)

s＝1/rd1+1/rd2+1/rd3+1/rin

r＝1/s

其中，各符號的定義如下：ld1/ld2/ld3為boost電路升壓電感，c1/c2/c3為直流濾波電容，d1/d2/d3為boost電路占空比，l1/l2/l3為直流濾波電感，cd1/cd2/cd3為boost電路高端壓容，r1/r2/r3為濾波器與線路等效電阻，rd1/rd2/rd3為boost電路高壓端直流輸入電阻，rl為負荷等效電阻。

3)基于加權(quán)混合靈敏度問題的h∞方法，設(shè)計交直流混合微電網(wǎng)交直流潮流斷面多換流器k∞協(xié)調(diào)控制器。包括：

(1)建立加權(quán)混合靈敏度動態(tài)結(jié)構(gòu)方程如下式，并如圖5所示。

在混合靈敏度設(shè)計方法中選取輸出量y與參考值r的誤差e作為控制器k∞的輸入量，執(zhí)行機構(gòu)環(huán)節(jié)為上層控制到底層控制的傳遞函數(shù)，g是被控對象的控制輸入量到輸出量的傳遞函數(shù)g(s)；z1、z2、z3為設(shè)計過程中衡量k∞控制器的三個指標，其中，z1衡量直流母線電壓對參考值的追蹤能力，z1也是衡量不可控輸入發(fā)生變化時，誤差大小的指標，z2衡量在控制器作用下閉環(huán)系統(tǒng)對加性攝動的容許度，z3衡量控制器作用下閉環(huán)系統(tǒng)對乘性攝動的容許度；u是控制量；w1、w2、w3為權(quán)函數(shù)；其中u＝k∞e，則閉環(huán)系統(tǒng)如圖4。

(2)選擇加權(quán)函數(shù)，在實際系統(tǒng)中并不需要對全頻譜都保證相同的追蹤能力及閉環(huán)系統(tǒng)對加性攝動和乘性攝動的容許度。因此產(chǎn)生了加權(quán)函數(shù)。根據(jù)控制器k∞需要對各指標壓縮的頻段對w1、w2、w3三個權(quán)函數(shù)的帶寬進行設(shè)計，優(yōu)化控制器的實用性能；

(3)利用標準2-riccati方程對加權(quán)混合靈敏度動態(tài)結(jié)構(gòu)方程進行求解得到控制器k∞。

所述的求解是利用matlab軟件中的魯棒控制工具箱中的hinf函數(shù)求解，或是mixsyn函數(shù)，或是hinfsyn函數(shù)。

下面給出實例：

考慮如圖1所示的交直流混合微網(wǎng)，微網(wǎng)工作在正常狀態(tài)下。交直流混合微網(wǎng)中的微源有三臺容量相同的光伏發(fā)電，分別獨自經(jīng)過一個boost升壓斬波電路并聯(lián)到直流母線上，直流負荷由等值的直流電阻等效，直流微網(wǎng)通過三臺并聯(lián)的換流器經(jīng)pcc點與10kv傳統(tǒng)配電網(wǎng)相連。

具體建模如圖2所示，為在直流區(qū)域中pv1、pv2、pv3是三個光伏電源，ld1、ld2、ld3、cd1、cd2、cd3分別是三個boost電路中相應(yīng)的電感和電容，rd1、rd2、rd3是boost電路及boot電路到直流母線的等效電阻，rl為直流負荷等效電阻。交流區(qū)域由es等效10kv交流母線。直流區(qū)域與交流區(qū)域由三個換流器相連，l1、l2、l3、c1、c2、c3分別為三個lc濾波器相應(yīng)的等效電感電容參數(shù)，而r1、r2、r3為濾波器與濾波與直流母線之間的總等效電阻。模型參數(shù)如表1

表1模型參數(shù)

按照以上具體實施方式求解控制器k∞得到：

仿真及分析：

仿真結(jié)構(gòu)如圖3。圖6為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本實施例中假設(shè)三個pv和dc/dc的物理參數(shù)相同。pv額定電壓為260v，直流母線電壓參考值為560v，交流母線電壓為380v，其他仿真參數(shù)見表1。為了驗證控制器k∞的性能，與pi控制器進行對比，pi控制參數(shù)為ki＝5，kp＝0.1。在以下設(shè)定工況下檢驗控制器k∞的控制效果。

1、檢驗控制器k∞的抗干擾性

1)工況一：在0.7s時pv輸出電壓由260v降落為220v，如圖7所示，采用控制器k∞控制時，直流母線電壓0.7s時比pi控制少跌落1v，但是采用控制器k∞控制時，電壓的恢復(fù)時間明顯小于pi控制下的恢復(fù)時間。證明控制器k∞在被控對象輸入量發(fā)生變化時，能有保證有效的跟蹤精度，動態(tài)性能較好。由于pv電壓是數(shù)學(xué)模型的輸入量，因此也說明控制器k∞設(shè)計方法比pi設(shè)計具有更好的抗干擾性。

2)工況二：每個光伏出力在0.7s時由25kw降為12.5kw，如圖8所示，控制器k∞與pi控制下的直流母線電壓最低點基本相同，都為556v左右，但是控制器k∞控制時，直流母線電壓恢復(fù)穩(wěn)定時間大概為0.06s，而pi控制大概為0.07s。證明在光伏出力波動時，控制器k∞維持直流母線電壓更有效。

2、檢驗控制器k∞的魯棒性

1)工況三：在0.7s時，直流負荷由50kw突增一倍為100kw。如圖9所示，0.7s時，pi控制下直流母線電壓跌落10v左右，控制器k∞控制下直流母線電壓跌落4v左右。兩者的動態(tài)恢復(fù)時間大致相等，因此說明控制器k∞控制對負荷攝動有更好的魯棒效果。由于在設(shè)計控制器k∞時，建立的狀態(tài)方程中，負荷是狀態(tài)矩陣系數(shù)。因此說明控制器k∞控制比pi控制抗參數(shù)攝動效果好。

綜上所述，通過本實施例的測試結(jié)果，說明本發(fā)明的一種混合微電網(wǎng)中交直流斷面多換流器的協(xié)調(diào)控制方法，解決了系統(tǒng)魯棒問題，將魯棒性能直接反映在系統(tǒng)的設(shè)計指標中，不確定性反映在相應(yīng)的權(quán)函數(shù)上。通過調(diào)整設(shè)計權(quán)函數(shù)，觀察設(shè)計指標，將控制器的性能優(yōu)化結(jié)果可視化。控制對象在實際中所存在的建模不確定性和參數(shù)攝動問題能很好地在控制器k∞控制下得到解決。并且基于混合靈敏度問題的h∞控制方法應(yīng)用于多臺并聯(lián)換流器中進行協(xié)調(diào)控制，充分發(fā)揮每臺換流器的作用，有利于交直流能量互動，保證直流系統(tǒng)供電質(zhì)量。