一种基于混合灵敏度的微电网频率H∞控制方法 |
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申请号 | CN201410241151.6 | 申请日 | 2014-05-30 | 公开(公告)号 | CN104319771A | 公开(公告)日 | 2015-01-28 |
申请人 | 国家电网公司; 中国电力科学研究院; 华南理工大学; | 发明人 | 李相俊; 陈金元; 谢巍; 王立业; 惠东; | ||||
摘要 | 本 发明 提出一种基于混合灵敏度的微 电网 频率 H∞控制方法,包括如下步骤:设定微电网 频率偏差 Δf与功率偏差ΔP的关系式,由此建立被控对象的传递函数;建立灵敏度函数S和补灵敏度函数T,构造满足约束条件的加权函数W1、W2、W3;建立微电网广义被控对象的 闭环系统 传递函数,进而获取H∞ 控制器 的传递函数;通过H∞控制器的传递函数求解获得MT控制器和ES控制器。该方法可根据微电网性能要求设计控制器并能够快速获取H∞控制器的控制参数,有效提高了微电网系统的鲁棒 稳定性 、动态性能和抗干扰能 力 。 | ||||||
权利要求 | 1.一种基于混合灵敏度的微电网频率H∞控制方法,其特征在于:该方法包括如下步骤: |
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说明书全文 | 一种基于混合灵敏度的微电网频率H∞控制方法技术领域[0001] 本发明属于鲁棒控制技术,具体涉及一种基于混合灵敏度的微电网频率H∞控制方法,适用于由风力发电系统、光伏发电系统、微型燃气轮机、燃料电池、用于制造氢气的且负荷可控的电解槽系统、用电负荷组成的微电网。 背景技术[0002] 随着能源需求的增长及化石能源的枯竭,能源结构的变化迫使人们积极寻找开发绿色、可循环的新能源。太阳能、风能有效缓解了能源需求,然而风能、太阳能的不稳定对电能的质量、电网的稳定是一个严峻的挑战。微型电网(简称微电网)应运而生,它是电力行业发展的一个新方向。微电网在孤岛模式下的稳定运行,可以充分发挥微电网的主观能动性,并提高供电的可靠性,具有长远的战略意义。频率的稳定性是评估电能质量好坏的重要指标,控制微电网频率的稳定尤其重要。 [0003] 由监控系统、微型燃气轮机(MT)、用电负荷(Load)、用于制造氢气的且负荷可控的电解槽(ES)、储氢容器、燃料电池(FC)、可再生的光伏发电系统(PV)以及风力发电系统(WP)组成的孤岛模式下的微电网,如图1所示。由于WP、PV以及Load的波动,导致了微电网的功率波动以及频率的波动。对于微电网频率的控制,Frequency control in micro-grid power system combined with electrolyzer system and fuzzy PI controller(Journal of Power Sources,180(2008):468-475)一文中提出了一种模糊PID控制的方法,然而该控制器设计存在中间转换过程多,模糊PID控制隶属度函数经验性强、控制规则复杂、鲁棒性不强等问题。H∞混合灵敏度是鲁棒控制的一个重要的分支,在系统的动态性能、稳定性及鲁棒性的控制效果上优于传统控制。 [0004] 因此,本发明提出一种将H∞混合灵敏度控制方法应用到微电网频率控制中的方法。 发明内容[0006] 为了实现上述目的,本发明是通过如下技术方案实现的: [0007] 一种基于混合灵敏度的微电网频率H∞控制方法,包括如下步骤: [0008] (A)设定微电网频率偏差Δf与功率偏差ΔP的关系式,由此建立被控对象的传递函数Gp(s): [0009] [0010] 其中,M为惯性系数,D为阻尼系数,s为拉普拉斯算子;本发明中所涉及的被控对象包括微型燃气轮机和电解槽; [0011] (B)建立灵敏度函数S和补灵敏度函数T,构造满足约束条件的加权函数W1、W2、W3; [0012] (C)建立微电网广义被控对象的闭环系统传递函数Tzw(s),进而获取H∞控制器Chinf的传递函数K(s); [0013] (D)通过H∞控制器Chinf的传递函数求解获得微型燃气轮机(MT)控制器Chinf1和电解槽(ES)控制器Chinf2。 [0014] 优选地,所述步骤(B)中,通过如下公式建立灵敏度函数S和补灵敏度函数T: [0015] [0016] [0017] 其中,Gp(s)为被控对象的传递函数,K(s)为H∞控制器的传递函数; [0018] 构造加权函数W1、W2、W3: [0019] [0020] W2=K2 [0021] [0022] 其中,K1为被控对象期望的低频增益,K2为W3的放大系数,K3为W3的放大系数,A为W3的剪切频率与W1的剪切频率的位置关系参数,ωc为被控对象期望的剪切频率,s为拉普拉斯算子。 [0023] 优选地,所述步骤(B)中,所述加权函数的参数K1、K2、K3、A和ωc须同时满足下述约束条件: [0024] ①K1≥20 [0025] ② [0026] ③ [0027] ④|K3|<1 [0028] ⑤A≥3 [0029] 其中,umax为控制量u的上限值,ωd为分布式电源和负荷的最大功率波动频率。 [0030] 优选地,所述步骤(C)中,建立如下式的广义被控对象的闭环系统传递函数Tzw(s): [0031] [0032] 优选地,所述步骤(C)中,基于“2-Riccati”方程法并根据控制器的边界条件,求取出如下所示的H∞控制器Chinf的传递函数K(s): [0033] [0034] 所述控制器的边界条件为: [0035] [0036] 其中,b1、b0、wa1、wa2为参数变量,且ωa2>ωa1; [0037] “2-Riccati”方程法为最常用的H∞控制器求解方法,具体可见翁正新、王广雄等的论文“混合灵敏度问题的鲁棒H∞/LTR设计方法”。 [0038] 优选地,所述步骤(D)中,求解MT控制器Chinf1和ES控制器Chinf2的方法包括如下步骤: [0039] (D1)令H∞控制器Chinf中b1和b0满足下述约束条件,并根据所述约束条件求解出参数变量ka1和ka2: [0040] ka1+ka2=b1 [0041] ka1ωa2+ka2ωa1=b0 [0042] (D2)通过参数变量ka1和wa1,求得微型燃气轮机(MT)控制器Chinf1: [0043] [0044] (D3)通过参数变量ka2和wa2,求得电解槽(ES)控制器Chinf2: [0045] [0046] 本发明的控制方法与现有技术相比,具有如下有益效果: [0047] 1、本发明设计了基于H∞混合灵敏度的微电网频率控制方法,该方法可根据微电网性能要求设计控制器并能够快速获取H∞控制器的控制参数,有效提高了微电网系统的鲁棒稳定性、动态性能和抗干扰能力; [0048] 2、与现有技术中“将总频率偏差转换为FC(燃料电池)、ES(电解槽)、MT(微型燃气轮机)的功率偏差分量进行控制的方法”相比较,本发明能够从全局上对微电网频率进行控制,无须中间转换过程,简化了控制方法,使其在工程上更易于实现,且运行维护更方便,稳定度更高。附图说明 [0049] 图1是微电网构成图; [0050] 图2是微电网频率控制仿真分析模型图; [0051] 图3是WP、PV、FC功率曲线图; [0052] 图4是Load、MT、ES功率曲线图; [0053] 图5是H∞控制下微电网频率偏差图; [0054] 图6是加入H∞控制器后S、T增益特性图。 具体实施方式[0055] 下面结合附图对本发明基于H∞混合灵敏度微网频率控制方法及控制器进行详细说明,本例中所涉及的被控对象为微型燃气轮机和电解槽。 [0056] 本例中基于H∞混合灵敏度微网频率控制方法包括如下步骤: [0057] (1)某一微电网的各项参数值见表1,可知被控对象 [0058] 表1参数值 [0059] [0060] (2)设ωd=0.5,umax=1000,则选择满足约束条件的各参数分别为:K1=20,K2=0.001,K3=0.1,A=5,ωc=20,因此加权函数分别为 W2=0.001,[0061] (3)求解得到广义被控对象的闭环系统传递函数Tzw(s)如下: [0062] [0063] 由边界条件: [0064] [0065] 基于“2-Riccati”方程法求解得到H∞控制器Chinf的传递函数K(s)为[0066] [0067] 由于需要满足wa2>wa1的条件,因此b1=19860,b0=1986,wa1=0,wa2=69.36。 [0068] (4)由b1、b0、wa1、wa1得到方程组: [0069] ka1+ka2=19860 [0070] ka1×69.36+ka2×0=1986 [0071] 可得,ka1=28.63,ka2=19831.37。 [0072] 因此,2个控制器的传递函数形式分别为 [0073] 为了测试鲁棒控制器的有效性,将控制器应用于微电网的MATLAB/Simulink模型中进行了仿真验证。微电网频率控制仿真分析模型见图2。 [0074] 图3为微电网模型中用到的风力发电系统输出功率曲线(WP)、光伏系统输出功率曲线(PV)以及燃料电池输出功率曲线(FC)。 [0075] 图4为加入H∞控制器后MT、ES、Load的功率变化曲线。可见,MT在平抑频率波动过程中起主要调节作用,ES变化幅度小,起辅助调节作用。 [0076] 图5为H∞控制下微电网频率偏差图,通过该图可知加入H∞控制器后,微电网频率偏差能稳定控制在±0.04Hz以内,此时微电网是满足稳定性要求的。 [0077] 图6为灵敏度函数S及补灵敏度函数T的奇异值曲线,可见,构建的加权函数W1、W3满足求解H∞控制器的边界条件。 |