一种交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法与流程

[0001]
本发明涉及电力系统运行与控制的技术领域，尤其涉及一种交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法。


背景技术：

[0002]
随着绿色电力的推广应用，风能、太阳能等可再生能源将大规模接入交流微电网，但高渗透率可再生能源发电的波动性与随机性会带来交流微电网母线电压波动、有功功率谐波等电能质量问题。
[0003]
交流电力弹簧作为一种新的需求侧管理技术，可有效抑制由高渗透率可再生能源发电引起的交流微电网有功功率波动；但交流电力弹簧是典型的强耦合、非线性对象，传统矢量解耦控制依赖于模型局部线性化，与pi控制器结合实现交流电力弹簧动态调节，系统内部仍然存在一部分耦合影响控制性能，增加功率控制器设计的复杂性，且稳定域不宽，难以实现宽范围的功率精确控制。


技术实现要素：

[0004]
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
[0005]
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
[0006]
因此，本发明提供了一种交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法，能够解决宽范围的功率控制效果差的问题。
[0007]
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，根据含交流电力弹簧的交流微电网结构，构建dq旋转坐标系下交流电力弹簧动态模型；根据所述交流电力弹簧动态模型，构建交流电力弹簧两输入和两输出李导数仿射模型；结合所述李导数仿射模型构建解耦矩阵和状态变换矩阵，并求解反馈线性化控制律；构建功率环pi控制器，并结合所述交流电力弹簧动态模型对交流电力弹簧进行动态调节。
[0008]
作为本发明所述的交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法的一种优选方案，其中：所述交流电力弹簧动态模型包括，
[0009][0010]
其中，系数矩阵a1＝z
c
/l
g
(z
c
+z
nc
)，a2＝(r
g
z
c
+z
c
z
nc
+r
g
z
nc
)/l
g
(z
c
+z
nc
)，a3＝1/l
g
，i
d
、i
q
分别为交流母线电流i的d、q分量，v
es，d
、v
es，q
分别为交流电力弹簧输出电压v
es
的d、q分量，v
g，d
、v
g，q
分别为交流微电网电源电压v
g
的d、q分量，ω为系统角频率，z
c
为关键负载阻抗，z
nc
为非关键负载阻抗，r
g
为线路等效电阻，l
g
为线路等效电感。
[0011]
作为本发明所述的交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法的一种优选方案，其
中：所述交流电力弹簧两输入和两输出李导数仿射模型包括，
[0012][0013]
其中，h(x)为输出函数，h(x)＝[h1(x)h2(x)]
t
＝[i
d i
q
]
t
；f(x)为耦合函数，g为仿射函数，u为动态模型输入变量，u＝[u
1 u2]
t
＝[v
es，d v
es，q
]
t
；x为动态模型状态变量，x＝[i
d i
q
]
t
；y为动态模型输出变量，y＝[y
1 y2]
t
＝[i
d i
q
]
t
。
[0014]
作为本发明所述的交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法的一种优选方案，其中：所述构建解耦矩阵包括，定义h
i
(x)关于所述f(x)的一阶李导数l
f
h
i
(x)为：
[0015][0016]
定义所述l
f
h
i
(x)关于所述g的一阶李导数l
g
l
f
h
i
(x)为：
[0017][0018]
构建所述解耦矩阵e：
[0019][0020]
其中，γ1、γ2分别为所述h1(x)、h2(x)的相对阶，为l
f
h1(x)关于g1的(γ
1-1)阶李导数，为所述l
f
h1(x)关于g2的(γ
1-1)阶李导数，为l
f
h2(x)关于g1的(γ
2-1)阶李导数，为所述l
f
h2(x)关于g2的(γ
2-1)阶李导数。
[0021]
作为本发明所述的交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法的一种优选方案，其中：还包括，当所述解耦矩阵与交流电力弹簧耦合模型联合观测时，所述交流电力弹簧可等效为完全解耦的d、q两相电流积分器，进而完成所述交流电力弹簧的完全解耦控制。
[0022]
作为本发明所述的交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法的一种优选方案，其中：所述状态变换矩阵包括，
[0023][0024]
其中，t(x)为所述状态变换矩阵，为所述h1(x)关于所述f(x)的γ1阶李导数，为所述h2(x)关于所述f(x)的γ2阶李导数。
[0025]
作为本发明所述的交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法的一种优选方案，其中：所述反馈线性化控制律包括，
[0026]
u＝e-1
[v-t(x)]
[0027]
其中，e-1
为解耦矩阵e的逆矩阵，为反馈线性化控制输入变量，y
1,ref
＝i
ref,d
、y
2,ref
＝i
ref,q
分别为所述交流电力弹簧输出变量i
d
、i
q
的期望电流轨迹；k
11
、k
21
、k
12
、k
22
为精确反馈线性控制器参数；e1＝y
1,ref-y1、e2＝y
2,ref-y2分别为所述期望电流轨迹y
1,ref
、y
2,ref
的跟踪误差。
[0028]
作为本发明所述的交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法的一种优选方案，其中：还包括，当所述反馈线性化控制律与交流电力弹簧非线性模型联合观测时，所述交流电力弹簧可等效为完全线性化模型，进而完成所述交流电力弹簧的完全线性化控制。
[0029]
作为本发明所述的交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法的一种优选方案，其中：所述构建功率环pi控制器包括，设置关键负载电压v
c
的q轴电压分量v
c,q
＝0，则注入公共耦合点处的有功功率p
in
、无功功率q
in
分别为：
[0030]
p
in
＝v
c,d
i
d
[0031]
q
in
＝-v
c,d
i
q
；
[0032]
所述功率环pi控制器如下：
[0033][0034]
其中，v
c,d
为所述关键负载电压v
c
的d轴电压分量，p
in,ref
和q
in,ref
分别为交流电力弹簧有功功率和无功功率渐进跟踪功率参考值，k
p
和k
i
分别为所述功率pi控制器比例系数和积分系数，s为积分算子。
[0035]
本发明的有益效果：本发明针对交流电力弹簧的强耦合和非线性特性，实现交流电力弹簧完全解耦和完全线性化控制，简化了功率控制器设计，具有动态性能好、稳定域宽的特点。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0037]
图1为本发明第一个实施例所述的一种交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法的流程示意图；
[0038]
图2为本发明第一个实施例所述的一种交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法的含交流电力弹簧的交流微电网结构示意图；
[0039]
图3为本发明第一个实施例所述的一种交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法的交流电力弹簧精确反馈线性化控制结构示意图；
[0040]
图4为本发明第二个实施例所述的一种交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法的波动的交流微电网电源功率波形示意图；
[0041]
图5为本发明第二个实施例所述的一种交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法的交流电力弹簧输出有功功率p
es
、无功功率q
es
波形示意图；
[0042]
图6为本发明第二个实施例所述的一种交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法的交流母线电流分量i
d
、i
q
波形示意图；
[0043]
图7为本发明第二个实施例所述的一种交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法的关键负载有功功率p
in
、无功功率q
in
波形示意图；
[0044]
图8为本发明第二个实施例所述的一种交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法的非关键负载有功功率p
nc
、无功功率q
nc
波形示意图。
具体实施方式
[0045]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
[0046]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0047]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0048]
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0049]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0050]
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0051]
实施例1
[0052]
参照图1～图3，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种交流电力弹簧反馈线性化解耦控制方法，包括：
[0053]
s1：根据含交流电力弹簧的交流微电网结构，构建dq旋转坐标系下交流电力弹簧动态模型。
[0054]
根据含交流电力弹簧的交流微电网结构，如图1，并根据kcl(kirchhoff's current law，基尔霍夫电流定律)、kvl(kirchhoff voltage laws，基尔霍夫电压定律)，定义dq旋转坐标系下交流电力弹簧动态数学模型：
[0055][0056]
其中，系数矩阵a1＝z
c
/l
g
(z
c
+z
nc
)，a2＝(r
g
z
c
+z
c
z
nc
+r
g
z
nc
)/l
g
(z
c
+z
nc
)，a3＝1/l
g
，i
d
、i
q
分别为交流母线电流i的d、q分量，v
es，d
、v
es，q
分别为交流电力弹簧输出电压v
es
的d、q分量，v
g，d
、v
g，q
分别为交流微电网电源电压v
g
的d、q分量，ω为系统角频率，z
c
为关键负载阻抗，z
nc
为非关键负载阻抗，r
g
为线路等效电阻，l
g
为线路等效电感。
[0057]
s2：根据交流电力弹簧动态模型，构建交流电力弹簧两输入和两输出李导数仿射模型。
[0058]
具体的，交流电力弹簧两输入和两输出李导数仿射模型如下：
[0059][0060]
其中，h(x)为输出函数，h(x)＝[h1(x)h2(x)]
t
＝[i
d i
q
]
t
；f(x)为耦合函数，
[0061]
g为仿射函数，u为动态模型输入变量，u＝[u
1 u2]
t
＝[v
es，d v
es，q
]
t
；x为动态模型状态变量，x＝[i
d i
q
]
t
；y为动态模型输出变量，y＝[y
1 y2]
t
＝[i
d i
q
]
t
。
[0062]
较佳的是，通过求解李导数仿射模型以实现非线性模型和线性模型之间的转换。
[0063]
s3：结合李导数仿射模型构建解耦矩阵和状态变换矩阵，并求解反馈线性化控制律。
[0064]
需要说明的是，对于输出和输入变量个数相同的系统，如果引入适当的控制规律，使控制系统的传递函数矩阵为非奇异对角矩阵，就称系统实现了完全解耦。
[0065]
具体的，构建解耦矩阵包括如下步骤：
[0066]
①
定义h
i
(x)关于f(x)的一阶李导数l
f
h
i
(x)为：
[0067][0068]
②
定义l
f
h
i
(x)关于g的一阶李导数l
g
l
f
h
i
(x)为：
[0069][0070]
③
构建解耦矩阵e：
[0071]
[0072]
其中，γ1、γ2分别为h1(x)、h2(x)的相对阶，为l
f
h1(x)关于g1的(γ
1-1)阶李导数，为l
f
h1(x)关于g2的(γ
1-1)阶李导数，为l
f
h2(x)关于g1的(γ
2-1)阶李导数，为l
f
h2(x)关于g2的(γ
2-1)阶李导数。
[0073]
较佳的是，当解耦矩阵与交流电力弹簧耦合模型联合观测时，交流电力弹簧可等效为完全解耦的d、q两相电流积分器，实现交流电力弹簧的完全解耦控制。
[0074]
设计的状态变换矩阵如下：
[0075][0076]
其中，t(x)为状态变换矩阵，为h1(x)关于f(x)的γ1阶李导数，为h2(x)关于f(x)的γ2阶李导数。
[0077]
进一步的，求取交流电力弹簧精确反馈线性化控制律u：
[0078]
u＝e-1
[v-t(x)]
[0079]
其中，e-1
为解耦矩阵e的逆矩阵，为反馈线性化控制输入变量，y
1,ref
＝i
ref,d
、y
2,ref
＝i
ref,q
分别为交流电力弹簧输出变量i
d
、i
q
的期望电流轨迹；k
11
、k
21
、k
12
、k
22
为精确反馈线性控制器参数；e1＝y
1,ref-y1、e2＝y
2,ref-y2分别为期望电流轨迹y
1,ref
、y
2,ref
的跟踪误差。
[0080]
较佳的是，当反馈线性化控制律与交流电力弹簧非线性模型联合观测时，交流电力弹簧可等效为完全线性化模型，进而实现交流电力弹簧的完全线性化控制。
[0081]
s4：构建功率环pi控制器，并结合交流电力弹簧动态模型对交流电力弹簧进行动态调节。
[0082]
其中需要说明的是，注入公共耦合点处的有功功率p
in
、无功功率q
in
可分别表示为：
[0083][0084][0085]
其中，v
c
为关键负载电压，即公共耦合点处的电压；为关键负载电压v
c
的向量形式；为交流母线电流i的共轭向量形式；v
c,d
、v
c,q
分别为关键负载电压v
c
的d、q分量。
[0086]
设置v
c
电压矢量与其在dq旋转坐标系下d轴电压分量一致，即q轴电压分量v
c,q
＝0，则注入公共耦合点处的有功功率p
in
、无功功率q
in
分别为：
[0087]
p
in
＝v
c,d
i
d
[0088]
q
in
＝-v
c,d
i
q
[0089]
其中，v
c,d
为关键负载电压v
c
的d轴电压分量。
[0090]
进一步的，设计功率环pi控制器：
[0091][0092]
其中，p
in,ref
和q
in,ref
分别为交流电力弹簧有功功率和无功功率渐进跟踪功率参考值，k
p
和k
i
分别为功率pi控制器比例系数和积分系数，s为积分算子。
[0093]
实施例2
[0094]
为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择矢量解耦控制(vector decoupling control,vdc)方法和采用本方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。
[0095]
矢量解耦控制方法的动态性能和稳定性较差。
[0096]
为验证本方法相对矢量解耦控制方法具有较短的调节时间和较优的稳定性，本实施例中将采用矢量解耦控制方法和本方法分别对交流电力弹簧控制性能进行测量对比。
[0097]
实验参数设置：设置交流微电网电源电压v
g
由稳定的交流电源和风力发电、光伏发电等可再生电源组成，用以模拟高渗透可再生能源发电引起的源侧有功功率波动；设置功率外环有功功率参考值p
in,ref
＝60w，无功功率参考值q
in,ref
＝0var；设置交流微电网电源输出有功功率p
g
每隔0.25s发生一次突变，即t＝0.25s时源侧有功功率p
g
由60.4w突升至66.6w，t＝0.5s时源侧有功功率p
g
由66.6w突降至53.9w，源侧无功功率q
g
＝0保持不变，波动的交流微电网电源功率如图4所示；仿真系统参数如下表所示。
[0098]
表1：仿真系统参数表。
[0099]
系统参数数值系统参数数值交流微电网电源电压v
g
/v155.5滤波电感l
f
/mh2.4交流微电网频率f
g
/hz50滤波电容c
f
/uf13储能电源电压v
dc
/v200关键负载z
c
/ω200线路阻抗z
g
/ω0.1+j0.754非关键负载z
nc
/ω50
[0100]
对交流电力弹簧的控制性能分别通过matlab平台进行仿真展现，仿真结果分别如图5、图6、图7和图8所示。
[0101]
(1)参照图5，在t＝0.25s时，源侧有功功率p
g
由60.4w突升至66.6w，aces维持输出有功功率不变，使得输出无功功率q
es
由4var突升至8.6var，将源侧有功波动转移至非关键负载；
[0102]
在t＝0.5s时，源侧有功功率p
g
由66.6w突降至53.9w，交流电力弹簧依然维持输出有功功率不变，使得输出无功功率q
es
由8.6var突降至-11.4var；从本方法与vdc方法的对比波形分析可知，vdc方法对于源侧功率变化的感知更为灵敏，启动快速，但本方法则调节时间更短。
[0103]
(2)由图6分析可知，本方法实现了i
d
、i
q
完全解耦控制，i
d
响应快速，i
q
基本无波动，且暂态控制性能比电流内环依然存在部分耦合的vdc方法更优。
[0104]
(3)由图7分析可知，本方法可以实现源侧有功功率波动时关键负载有功功率、无功功率经快速暂态调整，恢复平稳运行，相较于vdc方法，本方法具有较优的源侧功率波动
抑制功能。
[0105]
(4)由图8分析可知，在t＝0.25s时，源侧有功功率p
g
由60.4w突升至66.6w，非关键负载有功功率p
nc
由121w升至185.2w，承受了源侧有功功率波动，维持关键负载有功功率平稳；在t＝0.5s时，源侧有功功率p
g
由66.6w突降至53.9w，非关键负载有功功率p
nc
由185.2w降至54w，转移源侧有功功率波动，确保关键负载有功功率维持在期望值60w，有效抑制源侧有功功率波动。
[0106]
综上，由图5～8可知，本方法实现了交流电力弹簧完全解耦和完全线性化解耦控制，且相较于矢量解耦控制方法具有更优的动态性能，稳定性好。
[0107]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。