一种基于自适应滑模控制的微电网稳定控制方法与流程

本发明属于智能电网
技术领域：
，特别是实现微电网稳定的三相逆变器自适应滑模控制方法。
背景技术：
：分布式发电(distributedgeneration，DG)以其投资小、清洁环保、供电可靠性高和发电方式灵活等优点，越来越受到人们的关注。将DG和负荷连接构成微电网，并以这种形式入大电网与大电网互为支撑，是发挥DG系统效能的最有效方式。微电网并网(一般为配电网)运行，与主电网之间有功功率和无功功率可灵活交换。若主电网发生故障，微电网迅速与主网解列，运行于孤岛模式，保证重要负荷的供电。主电网恢复正常后微电网可再次联网，重新进入并网运行模式。微电网稳定控制器必须具有较强的抗干扰及电压控制能力，在电网出现扰动后有较快地动态响应。由于三相PWM换流器模型是一个典型的非线性多输入多输出系统，模型中含有状态变量和控制变量的乘积，并且状态变量间存在耦合，常规控制策略难以满足输出零稳态误差、快速动态响应、输入电流畸变小等要求。此外，由于小信号假设，常规线性和非线性控制策略，无法适用于大信号工作条件。当出现大的瞬态变化时，换流器的行为无法充分地反映出来。作为一种在设计选择中具有高度灵活性的控制方法，滑模控制比其他非线性控制方法更易于实现。滑模控制的主要优点是可以保证系统在参数不确定、存在外界干扰情况下的稳定性和鲁棒性。赵葵银等人利用滑模控制稳定三相整流桥的直流侧电压、保证系统的单位功率因数。RongJW等人将滑模控制用于单相逆变器，针对逆变器的并网、孤岛2种运行方式分别设计控制方法。FernandoSJ等人采用滑模控制设计了电压环，控制系统具有响应快、鲁棒性强、对外界干扰和参数扰动具有不变性等优点；但由于电流环采用滞环控制，存在输出电压有静态误差且开关频率不固定的缺点。在实际控制系统中，由于系统参数变化、外部扰动以及检测技术的限制等因素的影响，通常难以获得控制对象的精确模型，且匹配条件往往难以满足，使传统滑模控制无法达到理想品质。由上述分析可知，针对三相逆变器控制的现有技术对逆变器系统的数学模型的精确度要求高，未考虑实际系统参数不确定性与外界干扰问题对控制性能的想影响，因而鲁棒性不强，不符合实际应用的要求，工程实现较为困难。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种设计合理并具有良好稳态和动态特性的基于自适应滑模控制的微电网稳定控制方法。实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于自适应滑模控制的微电网稳定控制方法，包括以下步骤：步骤A、针对微电网并网运行与孤岛运行时的运行特性，分别建立逆变器系统的数学模型；步骤B、将自适应控制与滑模控制相结合，分别构建并网运行与孤岛运行时逆变器系统的自适应滑模控制模型；步骤C、逆变器系统的自适应滑模控制律作用于脉冲宽度调制(PWM)，对三相逆变器进行控制，从而实现微电网稳定的三相逆变器自适应滑模控制。与现有技术相比，本发明的显著优点为：1)本发明提出的自适应滑模控制方法可以保证系统在不确定性和非线性条件下、外界干扰情况下的鲁棒性和稳定性。2)本发明提出的控制方法使得微电网稳定控制器能够在并网运行时有效地抑制微电网与主电网交换功率波动，保证微电网与主电网交换功率可控。3)本发明的控制方法使得微电网稳定控制器能够为孤岛运行情况下的微电网提供电压、频率支持。4)本发明提出的控制方法可以实现微电网在并网与孤岛2种运行模式之间无缝切换。附图说明图1为现有的微电网的结构示意图。图2为本发明的基于自适应滑模的控制系统框图。图3为微电网稳定控制器交流侧电压波形图，其中图(a)为0.45—0.55s电压波形，图(b)为0.95—1.05s电压波形，图(c)为1.45—1.55s电压波形，图(d)为1.7—1.8s电压波形。图4为微电网稳定控制器交流侧电流波形图，其中图(a)为0.45—0.55s电流波形，图(b)为0.95—1.05s电流波形，图(c)为1.45—1.55s电流波形，图(d)为1.7—1.8s电流波形。图5为微电网稳定控制器输出功率图。图6为分布式电源输出电压波形图，其中图(a)为0.45—0.55s电压波形，图(b)为0.95—1.05s电压波形，图(c)为1.45—1.55s电压波形，图(d)为1.7—1.8s电压波形。图7为分布式电源输出电流波形图，其中图(a)为0.45—0.55s电流波形，图(b)为0.95—1.05s电流波形，图(c)为1.45—1.55s电流波形，图(d)为1.7—1.8s电流波形。图8为分布式电源输出功率图。图9为主网与微电网的交换功率图。具体实施方式本发明根据微电网的不同运行方式分析稳定控制器的运行特性，分别建立并网与孤岛运行时稳定控制器的数学模型。考虑到系统的不确定性和非线性，以控制变量的跟踪误差作为控制器的输入，将自适应控制与滑模控制相结合，设计逆变器系统的自适应滑模控制律作用于脉冲宽度调制，对三相逆变器进行控制，保证系统在参数不确定、存在外界干扰等情况下的稳态及动态特性。本发明的一种基于自适应滑模控制的微电网稳定控制方法，包括以下步骤：步骤A、针对微电网的并网运行与孤岛运行时的运行特性，分别建立逆变器系统的数学模型；所述的微电网并网运行时逆变器系统的数学模型为：e·i=a(ei+iref)+bucon1+cu0-i·ref+w]]>式中，ei＝diag(i0a-irefa,i0b-irefb,i0c-irefc)，i0a、i0b、i0c与irefa、irefb、irefc分别表示微电网稳定控制器交流侧相电流实际值、参考值；a＝diag(-Ra/Lga,-Rb/Lgb,-Rc/Lgc)，Lga、Lgb、Lgc为滤波电感值，Ra、Rb、Rc为换流桥、电感及线路等效串联电阻值；iref＝diag(irefa,irefb,irefc)；b＝diag(1/Lga,1/Lgb,1/Lgc)，ucon1＝diag(ucon1a,ucon1b,ucon1c)，ucon1a、ucon1b、ucon1c为微电网并网运行时控制信号；c＝diag(-1/Lga,-1/Lgb,-1/Lgc)，u0＝diag(u0a,u0b,u0c)，u0a、u0b、u0c表示微电网稳定控制器交流侧三相电压；w为系统的总不确定性；所述的微电网孤岛运行时逆变器系统的数学模型为：X·k=AkXk+DkIok+Bk(Uk+Wk)]]>式中，Ca、Cb、Cc为滤波电容，Bk＝[01/LgkCk]T，Uk＝[ucon2k]，ucon2k为微电网孤岛运行时控制信号，Wk为系统的总不确定项。所述的微电网并网运行时的系统总不确定项为：w＝Δa(ei+iref)+Δbucon1+Δcu0+um式中，Δa、Δb、Δc表征系统的不确定性，um＝diag(uma,umb,umc)，uma、umb、umc表征微电网中的瞬态变化、系统参数变化造成的扰动量；所述的微电网孤岛运行时的系统总不确定项为：Wk＝GkXk+HkUk+JkI0k+Kk式中：Gk＝ΔAk/Bk，Hk＝ΔBk/Bk，Jk＝ΔDk/Bk，Kk＝FkImk/Bk为不确定项满足匹配条件的系数，其中ΔAk、ΔBk、ΔDk表征系统的不确定性，步骤B、将自适应控制与滑模控制相结合，分别构建并网运行与孤岛运行时逆变器系统的自适应滑模控制模型；所述的微电网并网运行时三相逆变器的自适应全局滑模控制律为：ucon1=-βei-b-1(airef+cu0+i·ref+ϵsign(s))-bs·abs(bs)-1q^]]>式中，β为状态反馈系数，ε为小的正常数，s为并网运行时的全程滑模面矩阵，s＝diag(sa,sb,sc)，sign(·)表示符号函数，sign(s)＝diag(sign(sa),sign(sb),sign(sc))；abs(·)表示取绝对值函数；是q的估计值，q系统的不确定性的上界；所述的微电网孤岛运行时三相逆变器的自适应全局滑模控制律为：ucon2k=-βek-(CkBk)-1(CkAkCrk-CkX·rk+CkDkI0k+ϵsign(Sk))-(BkTCkTSk)||SkTCkBk||-1(q^1k+q^2k||ek||)]]>式中，β为状态反馈系数矩阵，ek为微电网稳定控制器交流侧输出电压误差，urefk表示微电网稳定控制器交流侧输出电压参考值；Ck为满秩常数矩阵，ε为小的正常数，sign(·)表示符号函数，Sk为孤岛运行时的全局滑模面，分别是q1k、q2k的估计值，q1k、q2k系统的不确定性上界系数。所述的微电网并网运行时全程滑模面为：所述的微电网孤岛运行时全局滑模面为：步骤C、将逆变器系统的自适应滑模控制模型作用于脉冲宽度调制PWM，对三相逆变器进行控制，从而实现微电网稳定的三相逆变器自适应滑模控制。一种实现上述基于自适应滑模控制的微电网稳定控制系统，包括信息采集模块、自适应滑模控制模块、脉宽调制模块和三相逆变器，其中：信息采集模块采集微电网稳定控制器交流侧相电压、电流，同时对微电网运行模式进行判别；自适应滑模控制模块对接收的信号进行相应运行模式下的状态反馈控制、鲁棒控制、自适应控制处理，并将处理结果传输给脉宽调制模块；脉宽调制模块对接收的信号进行脉宽调制后发送给三相逆变器的六个开关，实现对三相逆变器自适应滑模控制。本发明开发了基于储能设备的微电网稳定控制器，保证微电网在并网、孤岛2种模式下的稳定运行以及在2种运行模式间的灵活切换。DG并网运行的控制算法经过长期的发展和改进，在实际工程中的应用已相对成熟。在微电网内加装微电网稳定控制器后，DG无需改变原来针对并网运行的控制系统，在微电网孤岛情况下仍可继续稳定运行。本发明基于自适应全局滑模控制的微电网稳定控制方法，能够保证微电网在不同运行模式下的稳定性：在微电网并网运行时有效地抑制微电网与主电网交换功率波动，达到微电网与主电网交换功率可控；在微电网孤岛运行时，提供电压、频率支持；实现微电网在2种运行模式之间无缝切换。下面进行更详细的描述。本发明的一种基于自适应滑模控制的微电网稳定控制方法，是在如图1所示的微电网结构与如图2所示的基于自适应滑模的控制系统上实现的。微电网电路结构如图1所示，微电网稳定控制器与光伏、微型燃气轮机等分布式电源以及重要负荷通过1条公共母线并联后形成微电网。微电网由公共连接点断路器QF接入主电网。微电网稳定控制器主要包括储能设备、基于全控器件的换流器、滤波器以及控制检测电路。断路器QF闭合，微电网并网运行，微电网内电压、频率与主电网保持一致。为充分利用DG设备，微电网内的DG运行于其最大功率点。然而以风能、太阳能等作为一次能源的分布式电源受外界自然环境、气候等因素的影响，输出功率均存在一定的波动。因此，可以利用微电网稳定控制器补偿DG出力波动，避免由功率波动引起的电压偏差、电压波动等问题。公共连接点断路器断开，微电网孤岛运行，由稳定控制器提供电压和频率支撑，平衡微电网内的功率。保证DG稳定运行以及重要负荷的供电。若DG的总出力大于负荷和微电网内的损耗，由稳定控制器存储部分电能；反之，可输出功率，补偿功率差额。为了便于分析，假设储能系统的电压保持不变，因此可以用直流电源代替储能系统。u0a、u0b、u0c与i0a、i0b、i0c分别表示交流侧相电压与电流。Lga、Lgb、Lgc与Ca、Cb、Cc为滤波电感、电容。Ra、Rb、Rc为换流桥、电感及线路等效串联电阻。ima、imb、imc表征微电网中的瞬态变化、系统参数变化造成的扰动量。本发明是一种基于自适应滑模控制的微电网稳定控制方法。首先，依据并网与孤岛运行方式下逆变器系统的工作特性，分别建立相应的数学模型，分别建立并网与孤岛运行时稳定控制器的数学模型。考虑到系统的不确定性和非线性，以控制变量的跟踪误差作为控制器的输入，将自适应控制与滑模控制相结合，设计逆变器系统的自适应滑模控制律作用于脉冲宽度调制，对三相逆变器进行控制，保证系统在参数不确定、存在外界干扰等情况下的稳态及动态特性。本发明的控制方法包括以下步骤：步骤1：数学模型的建立步骤1-1：微电网并网运行时的数学模型微电网并网运行，微电网稳定控制器抑制DG、负荷造成的功率波动。此时，可以通过控制微电网稳定控制器交流侧输出电流来控制其输出功率，系统的状态方程可表示为式中：Lg＝diag(Lga,Lgb,Lgc)，i0＝diag(i0a,i0b,i0c)，R＝diag(Ra,Rb,Rc)，u0＝diag(u0a,u0b,u0c)，um＝diag(uma,umb,umc)，ucon1＝diag(ucon1a,ucon1b,ucon1c)，u0a、u0b、u0c与i0a、i0b、i0c分别表示微电网稳定控制器交流侧相电压、电流；uma、umb、umc表征微电网中的瞬态变化、系统参数变化造成的扰动量。设微电网稳定控制器交流侧输出电流参考值为iref＝diag(irefa,irefb,irefc)，取参考信号与状态变量之差作为新的状态变量，系统的状态方程变为Lge·i=-Rgei+ucon2-Rgiref-u0-um-Lgi·ref---(2)]]>式中：ei＝diag(i0a-irefa,i0b-irefb,i0c-irefc)可改写为：式中：a＝diag(-Ra/Lga,-Rb/Lgb,-Rc/Lgc)，b＝diag(1/Lga,1/Lgb,1/Lgc)，c＝diag(-1/Lga,-1/Lgb,-1/Lgc)。考虑到系统参数的变动以及不确定性扰动，式(3)可进一步改写为：e·i=(a+Δa)(ei+iref)+(b+Δb)ucon2+(c+Δc)(u0T+umT)-i·ref]]>(4)]]>e·i=a(e·i+iref)+bucon2+cu0-i·ref+w---(5)]]>式中Δa、Δb、Δc表征系统的不确定性。假设系统的不确定性为w，且有：w＝Δa(ei+iref)+Δbucon1+Δcu0+um(6)假设存在未知的正常数对角矩阵q＝diag(qa,qb,qc)，使得系统的不确定性满足：|w|≤q(7)步骤1-2：微电网孤岛运行时的数学模型微电网孤岛运行时，微电网稳定控制器的控制目标是输出电压为幅值、频率一定的正弦波。因此系统的状态方程可表示为X·k=AkXk+BkUk+DkIok+FkImk---(8)]]>式中：Bk＝[01/LgkCk]T，Uk＝[ucon2k]，ucon2k为三相调制波。考虑到微电网中的瞬态变化、系统参数变化造成的扰动量，式(8)可进一步改写为X·k=(Ak+ΔAk)Xk+(Bk+ΔBk)Uk+(Dk+ΔDk)Iok+FkImk---(9)]]>式中：ΔAk、ΔBk、ΔDk表征系统的不确定性且不确定项满足匹配条件，即ΔAk＝BkGk，ΔBk＝BkHk，ΔDk＝BkJk，FkImk＝BkKk。为便于分析，定义：Wk＝GkXk+HkUk+JkI0k+Kk(10)式(9)简化为X·k=AkXk+DkIok+Bk(Uk+Wk)---(11)]]>假设存在未知的正常数，使得系统的不确定性满足：||Wk||≤q1k+q2k||ek||(12)式中ek为微电网稳定控制器交流侧输出电压误差，并且有：ek=u0k-urefku·0k-u·refk=euke·uk---(13)]]>式中urefk表示微电网稳定控制器交流侧输出电压参考值，一般情况下设为额定值。步骤2基于自适应滑模控制系统自适应全局滑模控制综合了自适应控制与滑模控制的优点。全程滑模面在保证滑模控制稳定性的基础上，消除了滑模控制的到达运动阶段，使系统在响应的全过程都具有鲁棒性，克服了传统变结构控制中到达模态不具有鲁棒性的缺点。控制律由状态反馈项、鲁棒项以及自适应项3部分组成。状态反馈项可以充分利用状态反馈与极点配置的优点，简化了滑模面的设计，保证了系统的鲁棒性。鲁棒项通过滑模控制策略确定不确定非线性系统的基本结构；根据不确定非线性系统与名义非线性系统的差异，利用滑模以及其他参数构造满足全局Lyapunov稳定性的自适应律，构成自适应项，可有效地解决传统滑模控制中需要确定参数扰动和外部干扰上界的问题。自适应全局滑模控制系统的结构框图如图2所示。控制系统主要包括电流环和电压环2部分。当微电网并网运行时，控制信号ucon1a、ucon1b、ucon1c通过控制微电网稳定控制器交流侧电流，调节其输出功率。此时微电网稳定控制器的交流侧电压u0a、u0b、u0c等于电网电压，即电压环中的参考信号与状态变量之差为0，因此微电网稳定控制器的输出主要由电流环决定。当微电网孤岛运行时，由控制信号ucon2a、ucon2b、ucon2c控制微电网稳定控制器交流侧电压。在这种情况下，微电网稳定器的输出功率由微电网内的功率缺额决定，因此开关断开。步骤2-1基于自适应滑模的电流控制电流环的目标是控制微电网稳定控制器的交流侧电流i0a、i0b、i0c跟踪其参考值irefa、irefb、irefc。因此，选择全程滑模面为s=ei-∫0t(a-βb)eids---(14)]]>式中s＝diag(sa,sb,sc)，β为状态反馈系数。为保证系统在有限的时间内到达并保持在滑模面上，选择控制为：ucon1＝u1+u2+u3(15)u1＝-βei(16)u2=-b-1(airef+cu0+i·ref+ϵsign(s))---(17)]]>u3=-bs·abs(bs-1)q^---(18)]]>式中：u1为状态反馈项；u2为鲁棒项；u3为自适应项；ε为小的正常数；sign(·)表示符号函数，sign(s)＝diag(sign(sa),sign(sb),sign(sc))；abs(·)表示取绝对值函数；是q的估计值；参数偏差为且自适应律为q^·=abs(bs)---(19)]]>证明：取Lyapunov函数：V=s2+q~22---(20)]]>求导可得：V·=ss·+q~q~·---(21)]]>对式(14)关于式(5)求导，把式(15)、(19)代入式(21)，化简可得：V·=s(bu3+w-ϵsign(s))+q~q~·≤ϵabs(s)---(22)]]>显然，当abs(s)≠0时，这表明不确定滑模系统渐进稳定于滑模面，如式(14)所示。当系统到达并保持在滑模面时，有s·=airef+bucon2+cu0-i·ref+w+βbei=0---(23)]]>因此，存在名义等效控制为ueq=-b-1(airef+cu0-i·ref+w+βbei)---(24)]]>将等效控制式(24)代入式(5)可得滑动模态：e·i=(a-βb)ei---(25)]]>通过选择合适的状态反馈系数β，可以保证系统的滑动模态式(25)的鲁棒性，同时也可以调整微电网稳定控制器的电流控制特性。步骤2-2基于自适应滑模控制的电压控制电压环的主要作用是控制微电网稳定控制器的交流侧输出电压跟踪其参考值urefa、urefb、urefc，从而保证微电网在孤岛运行时的稳定性。为了减小控制误差、获得全局稳定性，选择全局滑模面为Sk=Ckek-Ck∫0t(Ak-Bkβ)ekds---(26)]]>式中：Ck为满秩常数矩阵，且CkBk非奇异，β为状态反馈系数矩阵。为了使系统在有限的时间内到达并保持在滑模面上，选择控制：ucon2k＝u1k+u2k+u3k(27)u1k＝-βek(28)u2k=-(CkBk)-1(CkAkXrk-CkX·rk+CkDkI0k+ϵsign(Sk))---(29)]]>u3k=-(BkTCkTSk)||SkTCkBk||-1(q^1k+q^2k||ek||)---(30)]]>式中：u1k为状态反馈项；u2k为鲁棒项；u3k为自适应项；ε为小的正常数；sign(·)表示符号函数；分别是q1k、q2k的估计值，参数偏差为选择自适应律为q^·1k=||SkTCkBk||q^·2k=||SkTCkBk||·||ek||]]>证明取Lyapunov函数：Vk=SkTSk+q~1k2+q~2k22---(31)]]>求导可得：V·k=SkTS·k+q~1kq~·1k+q~2kq~·2k=SkT(CkBkWk-ϵsign(Sk)+CkBku3k)+q~1kq~·1k+q~2kq~·2k=SkT(CkBkWk-ϵsign(Sk))-||SkTCkBk||(q1k+q2k||ek||)---(32)]]>把式(26)代入(31)化简得：V·k≤-ϵ||Sk||]]>显然当||Sk||≠0时，表明不确定滑模系统渐进稳定于滑模面，如式(26)。当系统到达并保持在滑模面时，S·k=CkAkXrk-CkX·rk+CkDkI0k+CkBkUrk+CkBkWk+CkBkβek---(33)]]>由式(33)可以得到系统的等效控制为Ueqk=-(CkBk)-1(CkAkXrk-CkX·rk+CkDkI0k+CkBkWk+CkBkβek)---(34)]]>将式(34)代入式(11)可得e·k=Akek-Bkβek---(35)]]>通过选择合适的状态反馈系数矩阵β，可以保证系统的滑动模态式(35)的鲁棒性，同时也可以调整微电网稳定控制器的电压控制特性。本发明提出的自适应滑模控制方法可以保证系统在不确定性和非线性条件下、外界干扰情况下的鲁棒性和稳定性。实施例利用PSCAD仿真软件建立图1中微电网的仿真模型，系统参数见表1。微电网稳定控制器交流侧电压参考值设为220V，50Hz。电流参考值则根据稳定控制器的设定输出功率取值。根据控制系统的滑模面，为保证滑动模态式(25)和(35)的鲁棒性以及微电网稳定控制器的稳态及动态特性，状态反馈系数取值分别为β＝30，β＝[0.002,35]，ε＝0.001。分布式电源系统通过逆变器接入微电网并向电网输送功率。表1系统参数微电网并网运行，微电网与主网之间的交换功率设为20kW(微电网向主网输送)；分布式电源的输出功率为20kW；微电网中重要负荷消耗的功率为20kW。因此微电网稳定控制器的输出功率设定为20kW。0.5s时刻，分布式电源的输出功率增加为30kW；1s时刻主电网断电，微电网与主网断开，转为孤岛运行，分布式电源输出功率减小为20kW；1.5s时刻，分布式电源输出功率减小为10kW；1.75s时刻，微电网中增加20kW的负荷并网。仿真结果如图3-9所示。0.5s之前，微电网稳定控制器输出功率为20kW；0.5s时，由于分布式电源的输出功率增加，微电网稳定控制器的输出功率减小为10kW；1s时刻微电网孤岛运行后，微电网内的功率平衡，微电网稳定控制器输出0kW有功功率。在1.5s时，由于分布式电源的输出功率减少，微电网稳定控制器输出10kW有功功率；1.75s时刻，由于微电网内负荷增加，微电网稳定控制器的输出功率增加为30kW。微电网并网运行时与主电网之间的交换功率始终保持在20kW。在整个仿真过程中，微电网稳定控制器的电压始终保持恒定。虽然微电网孤岛运行后，电流谐波含量增加，但符合相关电能质量标准。分布式电源的输出电压始终保持恒定，仿真结果表明，分布式电源可以保证稳定运行。本发明提出的自适应全局滑模控制可以保证系统在不确定性和非线性条件下、外界干扰情况下的鲁棒性和稳定性。仿真和实验结果证明：自适应全局滑模控制系统的有效性和正确性以及微电网稳定控制器在实际应用中的可行性。微电网稳定控制器能够保证微电网与主电网交换功率可控；为孤岛运行情况下的微电网提供电压、频率支持；此外，还可以实现微电网在2种运行模式之间无缝切换。本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。当前第1页1 2 3