一种并网同步控制系统非线性并联分布式补偿方法

1.本发明涉及并网同步控制技术领域，具体涉及一种并网同步控制系统非线性并联分布式补偿方法。


背景技术：

2.随着人类社会的快速发展，能源问题成为发展道路上的绊脚石，因此，人们将目光转移到可再生能源(太阳能、风能)以解决能源问题。在未来，可再生能源将会受到广泛利用，会出现大规模的可再生能源接入电网，然后作为其接口的并网变换器的稳定性在此过程当中起着至关重要的作用。
3.现如今，电网故障导致并网同步控制系统失稳，为了提高应对电网故障时并网同步控制系统的稳定性，目前主要存在5种提高稳定性的方法：(1)电网故障发生的时将锁相环积分器冻结，这种方法虽然能够使并网同步控制系统在故障期间保持稳定，但其不能够正确跟踪电网相位；(2)通过改变锁相环结构，使得电网故障期间锁相环变为一阶，但其仍然具备对电网的跟踪能力，避免了由二阶回路引起的不利相角超调，如果电网故障期间系统不存在平衡点，锁相环依旧会发散，系统不稳定；(3)增加锁相环的阻尼，这种调节方法与现有的比例体调节具有相似性，但是阻尼的引入避免了正弦函数在一个半周期内的反向调节，这种方法同样也依赖于电网故障期间系统的平衡点是否存在；(4)电网故障期间通过快速对阻抗的估计得出短路比，根据短路比重新给定有功电流与无功电流的参考，但是这种方法只适用于单变换器；(5)根据锁相环频率偏差重新调整有功电流的输出，这种方法虽然能够使系统稳定，但需要注意的是这种方法的使用不能够确定系统稳态运行时的工作点。在这些提高稳定性的控制方法当中都需要在电网故障时都需要使能，造成系统故障不能及时恢复，严重则会造成并网同步控制系统大规模瘫痪。上述问题亟待解决，为此，提出一种并网同步控制系统非线性并联分布式补偿方法。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于：如何通过非线性并联分布式补偿，使并网同步控制系统的每一个状态空间全部稳定，从而使得并网同步控制系统在任意一个相角初始点都能够收敛，系统保持稳定，提供了一种并网同步控制系统非线性并联分布式补偿方法。
5.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：
6.s1：建立并网同步控制系统大信号模型；
7.s2：根据步骤s1的并网同步控制系统大信号模型求出其雅可比矩阵j；
8.s3：根据步骤s2确定的并网同步控制系统雅可比矩阵j，选择其线性化点；
9.s4：根据步骤s3选择线性化点确定并网同步控制系统的状态空间ai与隶属度函数ωi，其中i＝1,2,3,4,5，并且为了隶属度函数能正确工作，对状态变量δ进行处理，使δ
″
∈(-π+δ0，π+δ0)；
10.s5：根据步骤s4的状态空间ai，隶属度函数ωi，建立多点线性化的并网同步控制系
统的开环t-s模糊模型；
11.s6：根据步骤s5的并网同步控制系统开环t-s模糊模型，将状态反馈fix加入到v
pccq
之后，其中，x为系统状态，确定输入矩阵b，v
pccq
为并网公共耦合点电压v
pcc
经过帕克变换后的q轴分量；
12.s7：根据步骤s6设计状态反馈行向量fi，使得a
i-bfi具有负的特征值；
13.s8：根据上述步骤确定模糊规则以及并网同步控制系统的闭环t-s模糊模型。
14.更进一步地，在所述步骤s1中，并网同步控制系统大信号模型如下：
[0015][0016]
其中，状态变量δ＝θ
pll-ωst，θ
pll
为锁相环输出相角，ωs为电网角速度，α为锁相环积分器输出，k
p
为锁相环比例系数，ki为锁相环积分系数，lg为线路感抗，vg为电网电压幅值，为电网电压初始相角。
[0017]
更进一步地，在所述步骤s2中，雅可比矩阵j如下：
[0018][0019]
更进一步地，在所述步骤s3中，为了使得在一个锁相环的输出相角一个周期内2π内的初始工作点均能够稳定，线性化点选择为δ1＝-π+δ0、δ2＝-0.5π+δ0、δ3＝δ0、δ4＝0.5π+δ0、δ5＝π+δ0，其中δ0为δ的稳态值。
[0020]
更进一步地，在所述步骤s4中，状态空间ai表达式如下：
[0021][0022]
隶属度函数ωi表达式如下：
[0023][0024]
更进一步地，在所述步骤s4中，对状态变量δ进行处理，如下式所示：
[0025][0026]
其中，δ'为δ对2π的余数。
[0027]
更进一步地，在所述步骤s5中，并网同步控制系统的开环t-s模糊模型如下式所示：
[0028][0029]
其中，x＝[δα]
t
，γ＝[k
p
lgicωs/(1-k
p
lgic)kilgicωs/(1-k
p
lgic)]
t
。
[0030]
更进一步地，在所述步骤s6中，将状态反馈fix加入到v
pccq
之后，得其输入矩阵b＝[k
p ki]
t
。
[0031]
更进一步地，在所述步骤s7中，设计状态反馈行向量fi，使得新的状态矩阵a
i-bfi的所有特征值均具有负实部，并使f3行向量中第一个元素为0。
[0032]
更进一步地，在所述步骤s8中，模糊规则如下：
[0033]
如果δ
″
＝-π+δ0,则状态矩阵a＝a1，状态反馈行向量f＝f1；
[0034]
如果δ
″
＝-0.5π+δ0,则状态矩阵a＝a2，状态反馈行向量f＝f2；
[0035]
如果δ
″
＝δ0,则状态矩阵a＝a3，状态反馈行向量f＝f3；
[0036]
如果δ
″
＝0.5π+δ0,则状态矩阵a＝a4，状态反馈行向量f＝f4；
[0037]
如果δ
″
＝π+δ0,则状态矩阵a＝a5，状态反馈行向量f＝f5；
[0038]
并网同步控制系统的闭环t-s模糊模型如下：
[0039][0040]
本发明相比现有技术具有以下优点：传统的锁相环会在电网故障期间由于工作点转移导致系统发散从而失稳，本发明设计并网同步控制系统的pdc对非线性的并网同步控制系统进行非线性控制，使得并网同步控制系统在任意的相角工作点都能够稳定，大大提高了并网同步控制系统应对电网故障的能力，并且传统锁相环伴随着pdc的加入能够在原本稳定的工作点能够具备更快的锁相速度，因此pdc的加入对并网同步控制系统的稳定性提高具有重要意义。
附图说明
[0041]
图1为本发明实施例中并网同步控制系统拓扑图；
[0042]
图2为本发明实施例中并网同步控制系统结构图；
[0043]
图3为本发明实施例中t-s模糊模型隶属度函数示意图；
[0044]
图4为本发明实施例中并网同步控制系统pdc控制框图；
[0045]
图5(a)为本发明实施例中相角初始工作点为0未加入pdc控制前后系统波形；
[0046]
图5(b)为本发明实施例中相角初始工作点为0加入pdc控制前后系统波形；
[0047]
图6(a)为本发明实施例中相角初始工作点为0.6π未加入pdc控制前后系统波形；
[0048]
图6(b)为本发明实施例中相角初始工作点为0.6π加入pdc控制前后系统波形；
[0049]
图7(a)为本发明实施例中相角初始工作点为0.9π未加入pdc控制前后系统波形；
[0050]
图7(b)为本发明实施例中相角初始工作点为0.9π加入pdc控制前后系统波形；
[0051]
图8为本发明实施例中并网同步控制系统非线性并联分布式补偿方法(pdc)的设计流程图。
具体实施方式
[0052]
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0053]
本实施例提供一种技术方案：一种并网同步控制系统非线性并联分布式补偿方法(pdc)，基于并网同步控制系统的开环t-s模糊模型，设计非线性并联分布式补偿，使并网同步控制系统的每一个状态空间全部稳定，从而使得并网同步控制系统在任意一个相角初始点都能够收敛，系统保持稳定，包括以下步骤(见图8)：
[0054]
步骤1：首先建立并网同步控制系统大信号模型；
[0055]
步骤2：根据步骤1确定的并网同步控制系统大信号模型求出其雅可比矩阵j；
[0056]
步骤3：根据步骤2确定的并网同步控制系统雅可比矩阵j，选择其线性化点；
[0057]
步骤4：根据步骤3确定的线性化点确定并网同步控制系统的状态空间ai，隶属度函数ωi，其中i＝1,2,3,4,5，并且为了隶属度函数能正确工作，对状态变量δ进行处理，使δ
″
∈(-π+δ0,π+δ0)；
[0058]
步骤5：根据步骤4确定的状态空间ai以及隶属度函数ωi，建立多点线性化的并网同步控制系统的开环t-s模糊模型；
[0059]
步骤6：根据步骤5确定的并网同步控制系统开环t-s模糊模型，将状态反馈fix加入到v
pccq
之后，其中x为系统状态，确定输入矩阵b，v
pccq
为并网公共耦合点电压v
pcc
经过park(帕克)变换后的q轴分量；
[0060]
步骤7：根据步骤6设计的状态反馈的行向量fi，使得a
i-bfi具有负的特征值；
[0061]
步骤8：根据上述步骤最终确定模糊规则以及并网同步控制系统的闭环t-s模糊模型。
[0062]
在本实施例中，并网同步控制系统由于电流环(几千赫兹)与锁相环(几十赫兹)时间尺度相差很大，所以忽略电流环对锁相环的影响，将并网变换器等效成理想电流源，其拓扑图如图1所示，其中ic为参考电流幅值，θ
pll
为锁相环输出相角，lg为电网寄生电感，vg为电网电压幅值，θg为电网电压相角。并网同步控制系统结构图如图2所示。
[0063]
在本实施例中，并网同步控制系统的并网参考电流幅值ic＝1512a，电网电压幅值vg＝220v，电网电压角速度ωs＝100π，电网寄生电感lg＝0.3mh，比例系数k
p
＝0.7，积分系数ki＝78.4，电网电压初始相角
[0064]
根据图2写出并网同步控制系统的状态方程(大信号模型)如下式：
[0065][0066]
其雅可比矩阵j如下式所示：
[0067][0068]
选择线性化点δ1＝-π+δ0，δ2＝-0.5π+δ0，δ3＝δ0，δ4＝0.5π+δ0，δ5＝π+δ0，其中δ0为δ的稳态值，本实施例中δ0＝0.868。
[0069]
通过线性化点的选择，可以确定其状态空间ai如下式所示：
[0070][0071]
其中i＝1,2,3,4,5，对状态变量δ进行处理，如下式所示：
[0072][0073]
其中δ'为δ对2π的余数。
[0074]
t-s模糊模型隶属度函数如下式及图3所示：
[0075][0076]
并网同步控制系统的开环t-s模糊模型如下式所示：
[0077][0078]
其中i＝1,2,3,4,5，x＝[δα]
t
，γ＝[k
p
lgicωs/(1-k
p
lgic)kilgicωs/(1-k
p
lgic)]
t
。
[0079]
将状态反馈添加到如图4所示的位置，可得输入矩阵b＝[k
p ki]。根据状态矩阵ai以及输入矩阵b设计状态反馈行向量fi，使a
i-bfi的特征值具有负实部，为了保证pdc的加入对v
pccq
没有影响从而实现对电网相位的完美跟踪，f3的第一个元素应该为0。在本实施例中fi的选择以及特征值如下所示：
[0080][0081]
模糊规则为：
[0082]
1)如果δ
″
＝-π+δ0,则状态矩阵a＝a1，状态反馈行向量f＝f1；
[0083]
2)如果δ
″
＝-0.5π+δ0,则状态矩阵a＝a2，状态反馈行向量f＝f2；
[0084]
3)如果δ
″
＝δ0,则状态矩阵a＝a3，状态反馈行向量f＝f3；
[0085]
4)如果δ
″
＝0.5π+δ0,则状态矩阵a＝a4，状态反馈行向量f＝f4；
[0086]
5)如果δ
″
＝π+δ0,则状态矩阵a＝a5，状态反馈行向量f＝f5；
[0087]
并网同步控制系统的闭环t-s模糊模型如下式所示：
[0088][0089]
其中i＝1,2,3,4,5，x＝[δα]
t
，γ＝[k
p
lgicωs/(1-k
p
lgic)kilgicωs/(1-k
p
lgic)]
t
。
[0090]
将得到的t-s模糊模型与未加入pdc的传统锁相环通过给定不同初始相角进行仿真比较，分别给定初始相角为0,0.6π以及0.9π，其仿真结果如图5(a)-(b)、6(a)-(b)、7(a)-(b)所示。可见加入pdc的锁相环在初始相角为0时具有更快的调节速度，在0.03s附近成功锁相，而传统锁相环则需要0.04s才能够成功锁相。在锁相环的初始相角为0.6π时，传统锁相环失去锁相能力并不稳定，加入pdc的锁相环则能够继续稳定工作。锁相环的初始相角为0.9π时，传统锁相环失去锁相能力并不稳定，加入pdc的锁相环则能够继续稳定工作。
[0091]
综上所述，上述实施例的并网同步控制系统非线性并联分布式补偿方法，在传统的锁相环加入pdc之后锁相环能够在原本稳定的工作点能够具备更快的锁相速度，而在不稳定的工作点能够继续保持稳定锁相，因此加入pdc的锁相环的提出对并网同步控制系统的稳定性提高具有重要意义。
[0092]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。