一种基于内模鲁棒控制的超导磁储能电压控制方法与流程

本发明属于超导磁储能系统领域，特别涉及一种基于内模鲁棒控制的超导磁储能电压控制方法。

背景技术

可再生能源组成的分布式发电具有较高的能源利用率、较小的环境污染以及灵活的发电方式的特点，逐渐成为传统集中式发电的有效补充，并得到了大力的推广。分布式发电多以微电网的结构形式出现。为了协调各分布式电源的出力，削弱分布式电源的随机性、波动性和间歇性对电网稳定造成的不利影响，微电网中通常会配置一定容量的电力储能装置。超导磁储能装置(superconductingmagneticenergystorage，简称smes)是将能量以电磁能的形式储存在超导线圈中的一种快速、高效的储能装置。与其他储能装置相比具有储能量大、转换效率高、响应迅速等优点，能够在较短时间内平抑系统的振荡，稳定系统的电压，使得系统的稳定性显著增强，其在微电网中具有较好的应用前景。

经对现有超导磁储能电压控制研究文献的检索发现，powerflowstabilizationandcontrolofmicrogridwithwindgenerationbysuperconductingmagneticenergystorage,(m.g.molinaandp.e.mercado,“powerflowstabilizationandcontrolofmicrogridwithwindgenerationbysuperconductingmagneticenergystorage”.ieeetransactionsonpowerelectronics,vol.26,no.3,pp.910922,mar.2011.)对超导磁储能提出了一种基于状态空间平均法的控制策略，包括外层、中间层和内层控制。其中，外层控制负责确定smes和微电网之间的功率交换，中间层控制负责调制电压基波分量，内层控制负责输出电压源逆变器的控制信号。该策略具有其快速高效的特性，但系统拓扑结构较为复杂，且各控制器参数依赖与系统的运行状态，难以推广应用。电压型超导磁储能系统统一非线性控制策略(郭文勇,赵彩宏,张锋志,等.电压型超导磁储能系统统一非线性控制策略[j].电力系统自动化，2007，31(19)：54-58.)提出一种电压型超导磁储能系统的统一非线性控制方法，具有全局收敛、响应速度快的特性，使系统在大范围扰动下仍能保持稳定，但该方法难以保证电压控制的精度。applyingmodelpredictivecontroltosmessysteminmicrogridsforeddycurrentlossesreduction,(t.nguyen,h.yooandh.kim，“applyingmodelpredictivecontroltosmessysteminmicrogridsforeddycurrentlossesreduction”.ieeetransactionsonappliedsuperconductivity,vol.26,no.4,p.5400405,jun.2016.)对超导磁储能提出了一种预测模型控制方法，该方法基于系统微分约束关系，当开关频率较高时，可实现电流环的无差拍控制。其优点是电流控制精度高，电压环响应速度快，在负荷发生变化等干扰时，可有效抑制微电源发电端的电压跌落。但是该方法电压环仍采用pi(双环电压)控制(即电压外环，电流内环的双环控制策略，电压外环经pi控制得到内环的电流参考值，电流内环经pi控制得到系统电压的参考值)，常规pi控制器无法做到对指定次谐波的无静差跟踪，在应对微电源输出功率波动和负载突变等干扰时的鲁棒性较差。

技术实现要素：

针对以上不足，本发明提出一种基于内模鲁棒控制的超导磁储能电压控制方法，该方法中内模控制可以提高超导磁储能输出电压的谐波抑制能力，鲁棒控制可以提高超导磁储能输出电压的抗干扰能力。在应对突加非线性负载时，能表现出较强的鲁棒稳定性和良好的动态跟踪特性。

本发明采取的技术方案为：

一种基于内模鲁棒控制的超导磁储能电压控制方法，包括如下步骤：

1)、将给定参考电压信号(vref)与实际电压信号(vabc)通过clark变换从abc静止坐标系变换到两相静止αβ坐标系下，得到αβ坐标系下的参考电压信号(vαref、vβref)和实际电压信号(vα、vβ)。其关键是clark变换，从abc静止坐标系变换到两相静止αβ坐标系，有：

其中，vαref、vβref和vα、vβ分别为参考电压和实际电压在α轴和β轴上的分量，varef、vbref、vcref和va、vb、vc分别为参考电压和实际电压信号在abc坐标系下a轴、b轴和c轴上的分量。

2)、将αβ坐标系下的参考电压信号(vαref和vβref)分别与实际电压信号(vα、vβ)比较，其差值作为内模鲁棒控制器的输入信号。所述内模鲁棒控制器的设计是基于内模原理，内模结构由一个低通滤波器we(s)和一个延时环节组成，可以表示为：

其中，延迟时间τd表示为：τd＝τ-1/wc。wc为截止频率，τ为基波周期。

we(s)表示跟踪偏差加权函数，用来限制系统的输入跟踪误差。we(s)的数学表达式为：

m为频率响应最大峰值，n为系统稳态的最大误差，为系统最小带宽频率。

鲁棒控制器的设计可转化为求解一个线性目标函数凸优化问题来实现，即：

其中，s(s)是灵敏度函数，有：s(s)＝[1+g(s)k(s)]^-1；tur(s)是补灵敏度函数，有：tur(s)＝k(s)[1+g(s)k(s)]^-1。k(s)为所要求解的鲁棒控制器的传递函数，we(s)表示跟踪偏差加权函数，wu(s)为控制输入的加权函数，g(s)为被控对象的传递函数。

3)、将αβ坐标系下的参考电压信号(vαref和vβref)作为前馈补偿器的输入信号。所述前馈补偿器的设计，其传递函数为：

其中，w0(s)为权重函数。

4)、将内模鲁棒控制器的输出信号(vkα、vkβ)和前馈补偿器的输出信号(vfα、vfβ)相加后得到控制电压信号和再经过αβ-abc坐标反变换得到abc坐标系下的控制电压信号和通过pwm调制得到超导磁储能逆变器控制输入指令，从而实现对超导磁储能输出电压的控制。所述的αβ-abc坐标反变换，有：

其中，和分别为控制电压信号在α轴和β轴上的分量，和分别为控制电压信号在abc坐标系下a轴、b轴和c轴上的分量。

本发明一种基于内模鲁棒控制的超导磁储能电压控制方法，技术效果在于：内模控制可以提高超导磁储能输出电压的谐波抑制能力，鲁棒控制可以提高超导磁储能输出电压的抗干扰能力。在应对突加非线性负载时，能表现出较强的鲁棒稳定性和良好的动态跟踪特性。

附图说明

图1为基于内模鲁棒控制的超导磁储能电压控制结构图。

图2为超导磁储能系统接入非线性负载时负荷电压和电流波形图。

图2(a)为超导磁储能系统接入非线性负载时负荷电压波形图。

图2(b)为超导磁储能系统接入非线性负载时负荷电流波形图。

图2(c)为超导磁储能系统接入非线性负载并进入稳态后谐波与基波幅值比。

图2(d)为图2(a)的局部放大视图。

具体实施方式

一种基于内模鲁棒控制的超导磁储能电压控制方法，包括如下步骤：

1)、将给定参考电压信号(vref)与实际电压信号(vabc)通过clark变换从abc静止坐标系变换到两相静止αβ坐标系下，得到αβ坐标系下的参考电压信号(vαref、vβref)和实际电压信号(vα、vβ)。其关键是clark变换，从abc静止坐标系变换到两相静止αβ坐标系，有：

其中，vαref、vβref和vα、vβ分别为参考电压和实际电压在α轴和β轴上的分量，varef、vbref、vcref和va、vb、vc分别为参考电压和实际电压信号在abc坐标系下a轴、b轴和c轴上的分量。

2)、将αβ坐标系下的参考电压信号(vαref和vβref)分别与实际电压信号(vα、vβ)比较，其差值作为内模鲁棒控制器的输入信号。所述内模鲁棒控制器的设计是基于内模原理，内模结构由一个低通滤波器we(s)和一个延时环节组成，可以表示为：

其中，延迟时间τd表示为：τd＝τ-1/wc。wc为截止频率，τ为基波周期。

we(s)表示跟踪偏差加权函数，用来限制系统的输入跟踪误差。we(s)的数学表达式为：

m为频率响应最大峰值，n为系统稳态的最大误差，为系统最小带宽频率。

鲁棒控制器的设计可转化为求解一个线性目标函数凸优化问题来实现，即：

其中，s(s)是灵敏度函数，有：s(s)＝[1+g(s)k(s)]^-1；tur(s)是补灵敏度函数，有：tur(s)＝k(s)[1+g(s)k(s)]^-1。k(s)为所要求解的鲁棒控制器的传递函数，we(s)表示跟踪偏差加权函数，wu(s)为控制输入的加权函数，g(s)为被控对象的传递函数。

3)、将αβ坐标系下的参考电压信号(vαref和vβref)作为前馈补偿器的输入信号。所述前馈补偿器的设计，其传递函数为：

其中，w0(s)为权重函数。

4)、将内模鲁棒控制器的输出信号(vkα、vkβ)和前馈补偿器的输出信号(vfα、vfβ)相加后得到控制电压信号和再经过αβ-abc坐标反变换得到abc坐标系下的控制电压信号和通过pwm调制得到超导磁储能逆变器控制输入指令，从而实现对超导磁储能输出电压的控制。所述的αβ-abc坐标反变换，有：

其中，和分别为控制电压信号在α轴和β轴上的分量，和分别为控制电压信号在abc坐标系下a轴、b轴和c轴上的分量。

图1是基于内模鲁棒控制的超导磁储能电压控制结构图。图1中可见控制方法的详细步骤：首先将给定的实际电压信号(vabc)通过clark变换从abc静止坐标系变换到两相静止αβ坐标系，得到αβ坐标系下的实际电压信号(vα、vβ)。随后，将αβ坐标系下的参考电压信号(vαref和vβref)分别与实际电压信号(vα、vβ)比较，其差值作为内模鲁棒控制器的输入信号；将αβ坐标系下的参考电压信号(vαref和vβref)作为前馈补偿器的输入信号。最后，将内模鲁棒控制器的输出信号(vkα、vkβ)和前馈补偿器的输出信号(vfα、vfβ)相加后得到控制电压信号和再经过αβ-abc坐标反变换得到abc坐标系下的控制电压信号和通过pwm调制(脉冲宽度调制)得到超导磁储能逆变器控制输入指令，从而实现对超导磁储能输出电压的控制。

超导磁储能主电源参数如下所示：串联滤波电感lf1＝1.5mh，串联滤波电容cf1＝50μf，串联电阻rf1＝0.1ω，中性点端电压vabc1＝311v，系统频率f0＝50hz，开关频率fsw＝10khz，超导磁储能系统的额定功率s1＝30kva。

根据超导磁储能主电源参数，系统内模控制函数为：延迟时间τd取0.0196s，截止频率取wc＝2500rad/s。鲁棒控制器的传递函数k(s)为：

被控对象的传递函数g(s)为：

权重函数为根据所以，前馈补偿器的传递函数f(s)为：

图2是超导磁储能系统在基于内模鲁棒控制的超导磁储能电压控制方法下，接入非线性负载时的负荷电压和电流波形图。从图2(a)中我们可以清楚的看到，在0.4s时刻，当超导磁储能系统突然接入非线性负载时，负荷电压仅出现细微的波动，而后迅速恢复到了稳定状态，稳态时的输出电压总谐波畸变率thd为3.60％(图2(c))。本发明所提出的控制方法使系统中超导磁储能在应对突加非线性负载时具备较强的抗扰动能力和谐波抑制能力，使输出电压具有较高的电能质量。