孤立电网中风电和储能的联合非线性鲁棒控制方法及系统

本发明属于风力发电，具体涉及一种孤立电网中风电和储能的联合非线性鲁棒控制方法及系统。

背景技术：

1、为解决传统发电模式所引起的经济及环境问题，随着电力电子技术的快速发展，利用分布式能源的发电模式已逐渐成为世界各国的共识。然而，分布式能源的不稳定、随机波动等特点影响了其大规模开发和接入大电网；此外，风电机组需建于风力资源丰富的地区，这类地区多较为偏远(例如海岛)而远离主电网。因而，就地组建微电网，利用地区的分布式能源进行孤网供电成为解决上述问题的有效途径之一。

2、孤立微电网中分布式能源的随机性、间歇性、不确定性以及负荷的随机波动给系统的稳定运行带来了严峻的考验。为削减发电侧与需求侧间的功率不匹配，促进可再生能源消纳，在孤立电网中应用储能技术已成为关键技术手段。储能系统的应用，补偿了分布式能源不稳定的出力，使得可再生能源发电机组能在更大出力范围内运行，成为推动新能源微电网技术广泛应用的重要措施。近年来基于储能系统的微电网控制策略已得到了广泛且深入的研究，其控制核心为协调分布式电源和储能系统的出力以维持微电网稳定运行；但大多控制技术所使用的模型大都没有考虑系统未精确建模部分等干扰因素对控制效果的不利影响，且采用传统的pi控制策略时常常伴随着严重的超调及振荡现象，不利于微电网系统在大干扰下的稳定运行。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种孤立电网中风电和储能的联合非线性鲁棒控制方法及系统，用于解决传统pi控制时调节过程中出现超调及2-3次振荡的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、孤立电网中风电和储能的联合非线性鲁棒控制方法，包括以下步骤：

4、s1、构建含电池储能系统风电孤立电网的基本结构框架；

5、s2、基于步骤s1构建的含电池储能系统风电孤立电网的基本结构框架，建立考虑扰动因素下的风储孤立电网数学模型；

6、s3、基于步骤s2得到的风储孤立电网数学模型，构建基于状态反馈精确线性化的非线性控制方法；

7、s4、基于步骤s3得到的基于状态反馈精确线性化的非线性控制方法设计孤立电网中风电和储能的联合鲁棒控制器，实现孤立电网中风电和储能的联合非线性鲁棒控制。

8、优选地，步骤s1中，含电池储能系统风电孤立电网的基本结构框架包括：

9、风电，包括风轮机、永磁同步发电机、全功率背靠背变换器和串联滤波器z，负责系统的主要能源供给；

10、电池储能系统，包括蓄电池、逆变器和电抗器l，负责系统的功率调节；

11、永久负荷，为用户侧的综合负荷，经变压器t从公共耦合处汲取电能；

12、可投切负荷及备用电源，为系统出现极端情况下的应急设备。

13、更优选地，通过控制机侧变换器调节pmsg定子电压，使转子处于最优转速；通过电池储能系统补偿风电出力与负荷需求的功率差额；通过网侧变换器输出频率和幅值均不受风速及负荷的波动影响的交流电压，交流电压为含有开关频率分量的pwm波，经过一个串联谐振于工频的滤波器z后实现对pcc电压的直接控制；

14、当发电功率大于负荷需求，且储能系统已充满能量时，接入可投切负荷消纳过剩的电功率；当发电功率小于负荷需求，且储能系统已释放尽电能时，接入备用电源或切负荷实现功率平衡。

15、优选地，步骤s2中，风储孤立电网数学模型的动态方程为：

16、

17、其中，w1为同步电机转轴上的转矩扰动，w2为流经背靠背变换器的功率扰动，w3、w4为同步电机定子回路中的电压扰动，w5、w6为电池储能系统中电抗器上的电压扰动，tm为气动转矩，b为阻尼系数，p为极对数，为永磁体的磁通，j为风力机及发电机转子整体的机械转动惯量，pl为负荷功率，rs为定子电阻，ls为，rb、lb分别为电抗器l的电阻及电感，ω为电网的同步角速度，[u1 u2 u3 u4]为该动态系统的控制量，其中u1为定子机端电压的d轴分量，u2为定子机端电压的q轴分量，u3为蓄电池侧变换器bsc输出电压的d轴分量，u4为蓄电池侧变换器bsc输出电压的q轴分量，[x1 x2 x3 x4 x5 x6]为该动态系统的状态变量，x1为电机转子电角速度，x2为惯性环节的总存储能量，x3为定子机端电流的d轴分量，x4为定子机端电流的q轴分量，x5为蓄电池侧变换器bsc输出电流的d轴分量，x6为蓄电池侧变换器bsc输出电流的q轴分量。

18、优选地，步骤s3中，根据微分几何控制方法中的状态反馈精确线性化理论，当从控制u到输出y的关系度ρ等于系统维度n时，构造相应的微分同胚变换及非线性预反馈将系统转换为线性系统。

19、更优选地，非线性系统满足条件如下：

20、

21、存在最优鲁棒控制律u*如下：

22、

23、其中，p*为满足相关riccati方程的半正定解，t(x)为所构造的系统微分同胚表达式，y(t)为动态系统的输出向量，α(x)、β(x)为系统非线性预反馈的对应系数，u为系统控制向量，γ为与系统鲁棒性能有关的系数，表示偏微分，g1(x)为光滑的向量函数，w为系统干扰向量。

24、更优选地，线性系统的鲁棒问题有如下最优控制策略

25、

26、线性系统对干扰的响应满足条件如下：

27、

28、其中，为精确线性系统的控制矩阵，p*为满足式(16)riccati方程的半正定解，z为精确线性系统的状态变量，yz(t)为精确线性系统的输出向量，v(t)为精确线性系统的控制向量，γ为与系统鲁棒性能有关的系数，为精确线性系统中的干扰向量。

29、优选地，步骤s4中，孤立电网中风电和储能的联合鲁棒控制器的控制目标如下：

30、调节同步电机转速ωr至最优值最大程度捕获风能；

31、维持直流环节电压uc为设定值维持逆变器的正常工作；

32、抑制定子电流d轴分量为0a以降低同步电机输出的无功功率qs；

33、保持电池储能系统输出的无功功率qb对无功负荷ql的跟踪，实现风电部分的单位功率因数运行。

34、更优选地，根据孤立电网的直接控制量ui(i＝1,2,3,4)与精确线性化模型的间接控制量vi(i＝1,2,3,4)之间的关系，得到非线性系统关于ui的鲁棒最优控制律为

35、

36、其中，为定子机端电压的d轴分量最优设定值，为定子机端电压的q轴分量最优设定值，为蓄电池侧变换器bsc输出电压的d轴分量最优设定值，为蓄电池侧变换器bsc输出电压的q轴分量最优设定值，为精确线性系统对应控制量最优设定值，ls为定子绕组等值电感，rs为定子电阻，p为极对数，x1为电机转子电角速度，x3为定子机端电流的d轴分量，x4为定子机端电流的q轴分量，x5为蓄电池侧变换器bsc输出电流的d轴分量，x6为蓄电池侧变换器bsc输出电流的q轴分量，j为风力机及发电机转子整体的机械转动惯量，为永磁体的磁通，b为阻尼系数，tm为气动转矩，rb、lb分别为电抗器l的电阻及电感，ug为公共耦合点电压，ω为电网的同步角速度。

37、第二方面，本发明实施例提供了孤立电网中风电和储能的联合非线性鲁棒控制系统，包括：

38、框架模块，构建含电池储能系统风电孤立电网的基本结构框架；

39、构建模块，基于框架模块构建的含电池储能系统风电孤立电网的基本结构框架，建立考虑扰动因素下的风储孤立电网数学模型；

40、控制模块，基于构建模块得到的风储孤立电网数学模型，构建基于状态反馈精确线性化的非线性控制方法；

41、输出模块，基于控制模块得到的基于状态反馈精确线性化的非线性控制方法设计孤立电网中风电和储能的联合鲁棒控制器，实现孤立电网中风电和储能的联合非线性鲁棒控制。

42、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

43、孤立电网中风电和储能的联合非线性鲁棒控制方法，本专利所提风储孤立电网拓扑结构主要由风电、电池储能系统(battery energy storage system，bess)、永久负荷、可投切负荷及备用电源组成。其中，风电部分由风轮机、永磁同步发电机(permanent magnetsynchronous generator，pmsg)、全功率背靠背变换器、串联滤波器z构成，负责系统的主要能源供给；电池储能系统由蓄电池、逆变器、电抗器l构成，负责系统的功率调节；永久负荷即为用户侧的综合负荷，经变压器t从公共耦合点(point of common coupling，pcc)处汲取电能；备用电源及可投切负荷则为系统出现极端情况下的应急设备。

44、进一步的，为充分利用地区风能资源，可通过控制机侧变换器(rotor sideconverter，rsc)去调节pmsg定子电压使其转子处于由风机特性决定的最优转速；而风电出力与负荷需求的功率差额则通过电池储能系统来补偿，此过程可通过控制蓄电池侧变换器(battery side converter,bsc)的电压来实现。该运行模式的优势在于风机总是处于最大风功率追踪(maximum power point tracking，mppt)状态，而不需要通过桨距角控制去限制风机的出力以跟踪负荷需求来实现系统功率平衡，最大程度地发挥了风机的发电能力。此外，为满足孤网中负荷对电能质量的要求，可使网侧变换器(grid side converter，gsc)输出频率和幅值都均不受风速及负荷的波动影响的交流电压。此电压为含有开关频率分量的pwm波，经过一个串联谐振于工频的滤波器z后方可实现对pcc电压的直接控制，从而给负荷提供一个稳定可靠的工频交流电压。极端情况下需投入备用电源和/或可投切负荷来保持系统的功率平衡：当发电功率大于负荷需求，且储能系统已充满能量时，需接入可投切负荷来消纳过剩的电功率；反之，当发电功率小于负荷需求，且储能系统已释放尽电能时，则需投入备用电源甚至切负荷来实现功率平衡。

45、进一步的，设计了风电和储能的联合鲁棒控制器，考虑了描述系统动态方程中的干扰因素，并将风储孤网的四输入六阶非线性动态系统精确线性化，将非线性控制转化为线性控制，便于后续控制器的设计。进一步的，检验系统关系度，并对此动态系统构造相应的微分同胚，完成非线性动态系统的精确线性化。

46、进一步的，根据非线性鲁棒控制理论，选取合适的动态指标使得系统能够可靠抵挡各种干扰稳定运行。

47、进一步的，根据线性系统的鲁棒控制理论，求解出风储孤立电网所对应的精确线性系统的最优鲁棒控制策略，为进一步反解非线性鲁棒控制律铺垫。

48、进一步的，设计风储孤立电网系统的控制目标，该控制指标同时考虑同步电机转速、直流环节电压、电机定子端输出的无功功率、电池储能系统端输出的无功功率，从而实现多目标控制。

49、进一步的，求解出孤立电网的直接控制量的鲁棒最优控制律，从而显著提升系统的抗干扰性能。

50、可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

51、综上所述，本专利基于状态反馈精确线性化及鲁棒h∞最优控制理论，提出了孤立电网中风电和储能的联合非线性鲁棒控制策略，使风机实时地保持最优转速以输出最大风功率，并通过风电与储能的联合控制使系统出力跟踪负荷变化，实现多目标控制。所提的风电和储能的联合非线性鲁棒控制对外界风速及负荷的扰动具有很强的鲁棒性，有效避免了采用传统pi控制时调节过程中出现的超调及振荡，显著提高了孤网的抗扰特性。

52、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。