一种DC/DC双向换流器稳定直流母线电压最优控制方法与流程

本发明涉及一种直流母线电压控制方法。特别是涉及一种dc/dc双向换流器稳定直流母线电压最优控制方法。

背景技术：

随着新能源并入电网的比例以及直流负荷的数量日益增加，直流微电网已经成为研究的热点之一。直流微电网中不需要考虑功角稳定和频率稳定的问题，能够有效减少能量转换环节。直流母线电压是评价直流微电网正常稳定运行的重要指标。因而需要设计相应的控制策略以维持直流母线电压稳定。通常选取直流微电网中的储能单元，借助dc/dc双向换流器来稳定直流母线电压，并平抑微电网内的功率波动。

dc/dc双向换流器具有开关非线性的特点，传统控制方法并未考虑其非线性特点。此外，工程中希望采用dc/dc双向换流器既能够平抑功率波动，维持直流母线电压，又能以最短的时间完成暂态过程的调节。因而，有必要研发一种兼顾调节时间和状态调节的直流母线电压最优控制方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种考虑有新能源接入的直流微电网环境下，提供一种借助dc/dc双向换流器平抑直流微电网中的功率波动，并维持直流母线电压稳定的dc/dc双向换流器稳定直流母线电压最优控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种dc/dc双向换流器稳定直流母线电压最优控制方法，包括如下步骤：

1)在升压和降压两种工作模式下，分别建立dc/dc双向换流器的仿射非线性数学模型；

2)分别选取dc/dc双向换流器在升压工作模式下的仿射非线性数学模型以及在降压工作模式下的仿射非线性数学模型中的状态变量的转移时间最短为性能指标，构建时间最优控制器，求取时间最优控制律；

3)分别选取dc/dc双向换流器在升压工作模式下的仿射非线性数学模型以及在降压工作模式下的仿射非线性数学模型中的状态变量的二次型函数为性能指标，构建状态最优调节器，求取状态最优控制律；

4)针对步骤2)得到的时间最优控制律和步骤3)得到的状态最优控制律建立模糊规则，构建模糊自适应权重协调控制器，分别求取时间最优控制律和状态最优控制律的权重。

步骤1)中在升压工作模式下，建立dc/dc双向换流器的仿射非线性数学模型包括：

列写升压工作模式下dc/dc双向换流器的微分方程如下：

其中，各符号定义如下：us和udc分别代表储能单元出口电压和直流母线电压，il和io分别代表储能侧电感电流和直流微电网等效负荷电流，ilref代表储能侧电感电流的参考值，dt代表开关管子s1的占空比，l代表储能单元侧电感，c代表直流母线等效电容，yt代表升压模式下dc/dc双向换流器的微分方程的输出函数；

对升压工作模式下的dc/dc双向换流器的微分方程引入输出函数的积分项，得到下式：

其中，zt为升压模式下dc/dc双向换流器仿射非线性数学模型中的状态变量；zt1代表升压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量的积分，zt2代表升压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量；

由升压工作模式下的dc/dc双向换流器的微分方程和引入输出函数积分项后的升压工作模式下微分方程，得到dc/dc双向换流器在升压工作模式下的仿射非线性数学模型如下：

其中:vt为升压模式下的预控变量，vt与dt的关系如下式所示：

步骤1)中在降压工作模式下，建立dc/dc双向换流器的仿射非线性数学模型包括：

列写降压工作模式下dc/dc双向换流器的微分方程如下：

其中，各符号定义如下：us和udc分别代表储能单元出口电压和直流母线电压，il和io分别代表储能侧电感电流和直流微电网等效负荷电流，ilref代表储能侧电感电流的参考值，dk代表开关管子s2的占空比，l代表储能单元侧电感，c代表直流母线等效电容，yt代表降压模式下dc/dc双向换流器的微分方程的输出函数；

对降压工作模式下dc/dc双向换流器的微分方程引入输出函数的积分项，得到下式：

其中，zk为降压模式下dc/dc双向换流器仿射非线性数学模型中的状态变量。zk1代表降压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量的积分，zk2代表降压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量；

由降压工作模式下dc/dc双向换流器的微分方程和引入输出函数的积分项后降压工作模式下的微分方程，得dc/dc双向换流器在降压工作模式下的仿射非线性数学模型如下：

其中：vk为降压模式下的预控变量，vk与dk的关系如下式所示：

步骤2)包括：

分别选取dc/dc双向换流器在升压工作模式下的仿射非线性数学模型以及在降压工作模式下的仿射非线性数学模型中状态变量从初始状态转移到稳定状态的时间最短为性能指标，所述性能指标如下式：

定义时间最优控制的开关曲线方程如下式：

其中，在升压模式下，z1＝zt1代表升压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量的积分，z2＝zt2代表升压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量；在降压模式下，z1＝zk1代表降压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量的积分，z2＝zk2代表降压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量，s表示开关曲线函数，j表示性能指标；

定义时间最优控制律如下式：

其中，在升压模式下，v＝vt，y＝yt；vt和yt分别表示升压模式下预控变量和升压模式下输出函数；在降压模式下，v＝vk，y＝yk；vk和yk分别表示降压模式下预控变量和降压模式下输出函数，sgn表示符号函数。

步骤3)包括：

分别选取dc/dc双向换流器在升压工作模式下的仿射非线性数学模型以及在降压工作模式下的仿射非线性数学模型中状态变量的二次型函数为性能指标，公式如下：

其中，r和q分别为预控变量和状态变量的权重矩阵；在升压模式下，z＝zt，v＝vt；zt和vt分别表示升压模式下dc/dc双向换流器仿射非线性数学模型中状态变量和预控变量；在降压模式下，z＝zk，v＝vk；zk和vk分别表示降压模式下dc/dc双向换流器仿射非线性数学模型中状态变量和预控变量，j表示性能指标；

在二次型函数为性能指标下的状态最优控制律如下式：

v＝-kz＝-r^-1b^tp^*z(13)

其中，各符号定义如下，k为状态反馈矩阵，p^*为黎卡提方程的解，r为预控变量权重矩阵，b为dc/dc数学模型中的输入矩阵；在升压模式下，z＝zt，v＝vt；zt和vt分别表示升压模式下dc/dc双向换流器仿射非线性数学模型中状态变量和预控变量；在降压模式下，z＝zk，v＝vk；zk和vk分别表示降压模式下dc/dc双向换流器仿射非线性数学模型中状态变量和预控变量。

步骤4)包括：

设定dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量为输入量，对应的模糊论域为[-0.3,0.3]；时间最优控制律所占的权重为输出量，对应的模糊论域为[0,1]；时间最优控制和状态最优控制的权重系数之和为1；建立模糊规则，根据模糊规则构建模糊自适应权重协调控制器，由模糊自适应权重协调控制器的输出确定时间最优控制和状态最优控制的权重。

所述的模糊规则如下：

规则1：如果z2为nl，则ρ为l；

规则2：如果z2为nm，则ρ为m；

规则3：如果z2为ns，则ρ为s；

规则4：如果z2为z，则ρ为vs；

规则5：如果z2为ps，则ρ为s；

规则6：如果z2为pm，则ρ为m；

规则7：如果z2为pl，则ρ为l；

其中：各符号定义如下，nl代表负大，nm代表负中，ns代表负小，z代表零，ps代表正小，pm代表正中，pl代表正大；在升压模式下，z2＝zt2代表升压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量；在降压模式下，z2＝zk2代表降压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量，ρ代表时间最优控制律所占的权重。

本发明的一种dc/dc双向换流器稳定直流母线电压最优控制方法，具有如下有益效果：

(1)本发明的方法能够充分考虑dc/dc双向换流器的非线性特性，并在升压和降压两种工作模式下，实现对dc/dc双向换流器的最优控制；

(2)本发明的方法中所设计的时间最优控制器，能够有效缩短暂态过程中直流母线电压的过渡时间，使直流母线电压更快地恢复到参考点；

(3)本发明的方法中所设计的状态最优调节器，能够减小暂态过程中直流母线电压以及电感电流等状态量的超调和振荡次数，并抑制由时间最优控制带来的颤振问题；

(4)本发明的方法中所设计的模糊自适应权重协调控制器，能够自适应地为时间最优控制器和状态最优调节器分配权重系数，从而保证状态转移时间和状态调节过程的双重优化。

附图说明

图1是dc/dc双向换流器拓扑图；

图2是时间最优控制器实现框图；

图3是状态最优调节器实现框图；

图4是模糊自适应权重协调控制器实现框图；

图5是直流微电网典型拓扑结构图；

图6是实施例1条件下三种控制方式下电压波形对比波形图；

图7是实施例1条件下由本发明控制方法得到的储能侧电感电流波形；

图8是实施例2条件下由本发明控制方法得到的直流母线电压波形；

图9是实施例2条件下由本发明控制方法得到的储能侧电感电流波形。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种dc/dc双向换流器稳定直流母线电压最优控制方法做出详细说明。

本发明的一种dc/dc双向换流器稳定直流母线电压最优控制方法，包括如下步骤：

1)在升压和降压两种工作模式下，分别建立dc/dc双向换流器的仿射非线性数学模型；其中，dc/dc双向换流器拓扑图如图1所示。

(1)在升压工作模式下，建立dc/dc双向换流器的仿射非线性数学模型包括：

列写升压工作模式下dc/dc双向换流器的微分方程如下：

其中，各符号定义如下：us和udc分别代表储能单元出口电压和直流母线电压，il和io分别代表储能侧电感电流和直流微电网等效负荷电流，ilref代表储能侧电感电流的参考值，dt代表开关管子s1的占空比，l代表储能单元侧电感，c代表直流母线等效电容，yt代表升压模式下dc/dc双向换流器的微分方程的输出函数。

对升压工作模式下的dc/dc双向换流器的微分方程引入输出函数的积分项，得到下式：

其中，zt为升压模式下dc/dc双向换流器仿射非线性数学模型中的状态变量；zt1代表升压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量的积分，zt2代表升压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量。

由升压工作模式下的dc/dc双向换流器的微分方程和引入输出函数积分项后的升压工作模式下微分方程，得到dc/dc双向换流器在升压工作模式下的仿射非线性数学模型如下：

其中:vt为升压模式下的预控变量，vt与dt的关系如下式所示：

(2)在降压工作模式下，建立dc/dc双向换流器的仿射非线性数学模型包括：

列写降压工作模式下dc/dc双向换流器的微分方程如下：

其中，各符号定义如下：us和udc分别代表储能单元出口电压和直流母线电压，il和io分别代表储能侧电感电流和直流微电网等效负荷电流，ilref代表储能侧电感电流的参考值，dk代表开关管子s2的占空比，l代表储能单元侧电感，c代表直流母线等效电容，yt代表降压模式下dc/dc双向换流器的微分方程的输出函数。

对降压工作模式下dc/dc双向换流器的微分方程引入输出函数的积分项，得到下式：

其中，zk为降压模式下dc/dc双向换流器仿射非线性数学模型中的状态变量。zk1代表降压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量的积分，zk2代表降压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量。

由降压工作模式下dc/dc双向换流器的微分方程和引入输出函数的积分项后降压工作模式下的微分方程，得dc/dc双向换流器在降压工作模式下的仿射非线性数学模型如下：

其中：vk为降压模式下的预控变量，vk与dk的关系如下式所示：

2)分别选取dc/dc双向换流器在升压工作模式下的仿射非线性数学模型以及在降压工作模式下的仿射非线性数学模型中状态变量的转移时间最短为性能指标，构建时间最优控制器，求取时间最优控制律；包括：

分别选取dc/dc双向换流器在升压工作模式下的仿射非线性数学模型以及在降压工作模式下的仿射非线性数学模型中状态变量从初始状态转移到稳定状态的时间最短为性能指标，所述性能指标如下式：

定义时间最优控制的开关曲线方程如下式：

其中，在升压模式下，z1＝zt1代表升压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量的积分，z2＝zt2代表升压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量；在降压模式下，z1＝zk1代表降压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量的积分，z2＝zk2代表降压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量，s表示开关曲线函数，j表示性能指标。

定义时间最优控制律如下式：

其中，在升压模式下，v＝vt，y＝yt；vt和yt分别表示升压模式下预控变量和升压模式下输出函数；在降压模式下，v＝vk，y＝yk；vk和yk分别表示降压模式下预控变量和降压模式下输出函数，sgn表示符号函数。

时间最优控制器实现框图如图2所示。

3)分别选取dc/dc双向换流器在升压工作模式下的仿射非线性数学模型以及在降压工作模式下的仿射非线性数学模型中状态变量的二次型函数为性能指标，构建状态最优调节器，求取状态最优控制律；包括：

分别选取dc/dc双向换流器在升压工作模式下的仿射非线性数学模型以及在降压工作模式下的仿射非线性数学模型中状态变量的二次型函数为性能指标，公式如下：

其中，r和q分别为预控变量和状态变量的权重矩阵。在升压模式下，z＝zt，v＝vt；zt和vt分别表示升压模式下dc/dc双向换流器仿射非线性数学模型中状态变量和预控变量；在降压模式下，z＝zk，v＝vk；zk和vk分别表示降压模式下dc/dc双向换流器仿射非线性数学模型中状态变量和预控变量，j表示性能指标。

在二次型函数为性能指标下的状态最优控制律如下式：

v＝-kz＝-r^-1b^tp^*z(13)

其中，各符号定义如下，k为状态反馈矩阵，p^*为黎卡提方程的解，r为预控变量权重矩阵，b为dc/dc数学模型中的输入矩阵；在升压模式下，z＝zt，v＝vt；zt和vt分别表示升压模式下dc/dc双向换流器仿射非线性数学模型中状态变量和预控变量；在降压模式下，z＝zk，v＝vk；zk和vk分别表示降压模式下dc/dc双向换流器仿射非线性数学模型中状态变量和预控变量。

状态最优调节器实现框图如图3所示。

4)针对步骤2)得到的时间最优控制律和步骤3)得到的状态最优控制律建立模糊规则，构建模糊自适应权重协调控制器，分别求取时间最优控制律和状态最优控制律的权重。包括：

设定dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量为输入量，对应的模糊论域为[-0.3,0.3]；时间最优控制律所占的权重为输出量，对应的模糊论域为[0,1]；时间最优控制和状态最优控制的权重系数之和为1；建立模糊规则，根据模糊规则构建模糊自适应权重协调控制器，由模糊自适应权重协调控制器的输出确定时间最优控制和状态最优控制的权重。模糊自适应权重协调控制器实现框图如图4所示。

所述的模糊规则如下：

规则1：如果z2为nl，则ρ为l；

规则2：如果z2为nm，则ρ为m；

规则3：如果z2为ns，则ρ为s；

规则4：如果z2为z，则ρ为vs；

规则5：如果z2为ps，则ρ为s；

规则6：如果z2为pm，则ρ为m；

规则7：如果z2为pl，则ρ为l；

其中：各符号定义如下，nl代表负大，nm代表负中，ns代表负小，z代表零，ps代表正小，pm代表正中，pl代表正大。在升压模式下，z2＝zt2代表升压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量；在降压模式下，z2＝zk2代表降压模式下dc/dc双向换流器储能侧电感电流的偏差量，ρ代表时间最优控制律所占的权重。

下面给出实施例。

在图5所示的直流微电网结构下，给出相关实施例。其中，各项参数如下：交流电网电压10kv，变压器变比10kv/220v，直流母线额定电压560v，dc/dc双向换流器开关频率10khz，储能单元端口电压250v。

实施例1：当系统运行至1s时，直流微电网内有功功率突增100kw。dc/dc双向换流器采用传统pi控制方式，线性最优控制(lqr控制)，本发明所提最优控制方法时直流母线电压对比波形如图6所示。本发明所提最优控制下储能侧电感电流波形如图7所示。

由图6可以看出，相较于传统pi控制方式和线性最优控制方式，在本发明所提最优控制方法下的直流母线电压具有更短的调节时间，在电压调节的过渡过程中没有发生振荡现象，超调量在工程允许范围内。由图7可以看出，在本发明所提方法下，储能单元能够从空闲模式快速响应动作，开始充电，并且充电电流没有出现颤振现象，满足实际运行要求。

实施例2：当系统运行至1s时，直流微电网内有功功率突增80kw,1.5s时直流负荷增加80kw，2s时直流负荷再增加100kw。dc/dc双向换流器采用本发明所提最优控制方法，直流母线电压波形以及储能侧电感电流波形分别如图8和图9所示。

由图8和图9可以看出，dc/dc双向换流器工作于降压和升压两种工作模式下，可以有效地维持直流母线电压稳定，且能够实现调节时间最短，超调量足够小，没有振荡现象出现。