一种光伏多水泵可达集估计与补偿协调控制方法

摘要

本发明提出了一种光伏多水泵可达集估计与补偿协调控制方法。首先搭建光伏多水泵系统的物理模型，并采用中立II型T‑S模糊方法去表达系统的非线性动态。考虑到每台水泵受外界环境干扰因素不同，用统一定性与定量的方法去抑制不同的外界环境干扰显得非常困难。针对这个问题首先设计估计器去估计每台水泵的干扰信号。在此基础上，采用基于补偿的反馈控制器，使得这些外界的干扰信号能够被消除并实现稳定工作。本发明考虑以上真实的工况，设计的光伏多水泵可达集估计与补偿协调控制方法，使得这些外界的干扰信号能够被消除并实现稳定的工作。

说明书

技术领域

本发明涉及非线性控制领域，特别是一种光伏多水泵可达集估计与补偿协调控制方法。

背景技术

光伏水泵是利用太阳能发电提供电能给水泵实现抽水的装置，被广泛应用在边远、干旱缺水、海上浮体等应用场合。由于光伏阵列的非线性特性，以及考虑到每台水泵受外界环境干扰因素不同，用统一的定性与定量方法去抑制不同的外界环境干扰显得非常困难，这些使得光伏水泵系统的稳定性问题越来越突出。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种光伏多水泵可达集估计与补偿协调控制方法，能够使光伏多水泵外界的干扰信号被消除并实现稳定的工作。

本发明采用以下方案实现：一种光伏多水泵可达集估计与补偿协调控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：提供一光伏多水泵物理系统模型；

步骤S2：根据物理学原理以及中立II型T-S模糊模型，建立所述光伏多水泵物理系统的非线性动态模型；

步骤S3：建立估计控制器去估计所述光伏多水泵物理系统模型的外界干扰信号；

步骤S4：基于步骤S3建立的估计控制器所估计的外界干扰信号，设计基于补偿的反馈控制器，用以使所述外界干扰信号能够被抑制并实现光伏多水泵的稳定工作。

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：建立光伏单水泵非线性系统模型，如公式(1)所示：

式中，k₆＝ω_e-ω_r；i_sd、i_sq表示d轴、q轴电流；分别表示定子d轴、q轴磁链；分别表示转子d轴、q轴磁链；ω_r表示转子角速度；U_dc是光伏发电输出电压；T_L是负载转矩；ω_e表示电磁场角速度；L_m表示电枢互感；示转子时间常数；L_r和R_r分别是转子电感和电阻；C_dc是直流侧电容；是漏感导数；L_s和R_s分别表示定子的电感和电阻；C_dc表示直流侧电容；T_e表示电磁转矩；p表示极对数；

步骤S22：建立光伏多水泵系统，每个水泵系统定义为角标i；根据基尔霍夫电流定理，得到：

将公式(2)代入(1)得到如下的光伏多水泵耦合非线性系统，

式中，

k_6(i)＝ω_e(i)-ω_r(i)；

步骤S23：将i_sd(i)，i_sq(i)，ω_r(i)，u_dc(i)作为光伏多水泵耦合非线性系统的输出，并且得到输出测量通道卷入干扰，表达如下：

式中，ω_i(t)是输出测量通道干扰；

将作为模糊前件变量，并对其欧拉离散化得到如下光伏多水泵系统中立II型T-S模糊模型：

其中，

分别是非线性A_ii(t),B_i(t)A_ij(t)函数线性化后的参数矩阵；是中立II型的模糊集。

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S31：定义并且引入一个变量带入公式(5)得到：

式中，

引入模糊观测器，如下：

式中，是一个辅助的状态矢量，是所述观测器增益；令，

式中，S_i是非奇异矩阵，得到：

根据公式(6)-(10)得到：

因为S_i是非奇异矩阵，因此公式(11)再次表达为：

式中，

步骤S32：定义如下的李雅普诺夫函数，

式中，是正定对称矩阵；取以上李雅普诺夫函数的差分，得到：

由于

式中，和标量k＞0

定义正定对称矩阵和矩阵由公式(12)得到：

式中，

令性能指标函数：

式中，α∈[0，1].

根据式(13)-(17)，J(t)<0成立，则以下的不等式成立，

式中，

步骤S33：将不等式(18)转化为线性矩阵不等式，其中令矩阵为：

式中，是非奇异矩阵；

将式(20)代入式(18)，定义抽出模糊前进变量，得到：

式中，l∈L_i,是模糊规则，

步骤S34：由不等式(21)得到J(k)＜0，

Vk+1)-1＜α(V(k)-1)； (23)

从公式(23)得到：

V(k)＜α^k(V(0)-1)+1,>

对于零初始的情况，得到：

式中，

所述建立求解估计控制器的算法如下：

根据和公式(21)，其中所述估计器的增益如下：

进一步地，所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：建立如下的补偿控制器：

式中，和是补偿控制器增益；

将公式(27)代入公式(5)，得到如下的光伏多水泵闭环控制系统：

式中，

步骤S42：定义如下的李雅普诺夫函数：

式中，是正定对称矩阵；通过取李雅普诺夫函数V(k)的差分，得到：

定义正定对称矩阵和矩阵根据公式(28)得到：

式中，

根据所述步骤S34得到得到如下的性能指标函数：

式中，β∈[0，1]；

根据公式(29)-公式(31)，得到J(t)＜0，

式中，是对称正定矩阵，和是适当维数矩阵，标量β∈[0，1]；

令，和通过采用锥补引理并抽出模糊前进变量后得到：

式中，

步骤S43：不等式(33)和(34)成立得到J(k)＜0,

式中，

对于零初始的情况，得到：

所述反馈补偿控制器的算法如下：

根据公式(33)和公式(34)，其中和是控制器的增益。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明能够使光伏多水泵外界的干扰信号被消除并实现稳定的工作。

附图说明

图1为光伏多水泵物理系统图；

图2为一种光伏多水泵可达集估计与补偿协调控制方法的实施步骤图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1、2所示，本实施例提供了一种光伏多水泵可达集估计与补偿协调控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：提供一光伏多水泵物理系统模型；其中，所述光伏多水泵物理系统模型包括光伏、多个DC/AC变换器、多个水泵和多个水管；所述每个DC/AC变换器均连接一个水泵；所述每个水泵均连接一根水管；所述光伏为所述多个DC/AC变换器及多个水泵提供电能；

步骤S2：根据物理学原理以及中立II型T-S模糊模型，建立所述光伏多水泵物理系统的非线性动态模型；

步骤S3：考虑到每台水泵受外界环境干扰因素不同；用统一的定性与定量方法去抑制不同的外界环境干扰显得非常困难。针对这个问题设计估计器去估计所述光伏多水泵物理系统模型的外界干扰信号；

步骤S4：基于步骤S3建立的估计控制器所估计的外界干扰信号，设计基于补偿的反馈控制器，用以使所述外界干扰信号能够被抑制并实现光伏多水泵的稳定工作。

在步骤S2中，根据物理学原理以及中立II型T-S模糊模型的表达方法，建立光伏多水泵物理系统的模糊动态模型。具体步骤如下：

步骤S21:首先建立光伏单水泵非线性系统模型，如公式(1)所示：

式中，k₆＝ω_e-ω_r；i_sd、i_sq表示d轴、q轴电流；分别表示定子d轴、q轴磁链；分别表示转子d轴、q轴磁链；ω_r表示转子角速度；U_dc是光伏发电输出电压；T_L是负载转矩；ω_e表示电磁场角速度；L_m表示电枢互感；表示转子时间常数；L_r和R_r分别是转子电感和电阻；C_dc是直流侧电容；是漏感导数；L_s和R_s分别表示定子的电感和电阻；C_dc表示直流侧电容；T_e表示电磁转矩；p表示极对数。

步骤S22：接着考虑光伏多水泵系统，每个水泵系统定义为角标i；根据基尔霍夫电流定理，得到：

将公式(2)代入(1)得到如下的光伏多水泵耦合非线性系统，

式中，

k_6(i)＝ω_e(i)-ω_r(i)；

步骤S23：将i_sd(i)，i_sq(i)，ω_r(i)，u_dc(i)选择作为光伏多水泵耦合非线性系统的输出，并且考虑输出测量通道卷入干扰，表达如下：

式中，ω_i(t)是输出测量通道干扰。

选择作为模糊前件变量，并对其欧拉离散化得到如下光伏多水泵系统中立II型T-S模糊模型：

其中，是非线性A_ii(t₎,B_i(t₎A_ij(t₎函数线性化后的参数矩阵；是中立II型的模糊集。

在步骤S3中，考虑到每台水泵受外界环境干扰因素不同；用统一的定性与定量方法去抑制不同的外界环境干扰显得非常困难。针对这个问题设计估计器去估计这些外界的干扰信号。具体实施步骤如下：

步骤S31：首先定义并且引入一个变量那么随着公式(5)得到：

式中，

现在引入模糊观测器，如下：

式中，并且是一个辅助的状态矢量，是要设计的观测器增益。

现在，我们进一步定义

式中，S_i是非奇异矩阵，那么得到：

随着公式(6)-(10)得到：

因为S_i是非奇异矩阵，因此系统(11)可以再次表达为：

式中，

步骤S32：接着定义如下的李雅普诺夫函数，

式中，是正定对称矩阵。取以上李雅普诺夫函数的差分，得到：

由于

式中，和标量k＞0；

定义正定对称矩阵和矩阵那么由公式(12)得到：

式中，

现在，定义如下的性能指标函数：

式中，α∈[0，1].

混合(13)-(17)，J(t)<0成立，假如以下的不等式成立，

式中，

步骤S33：进一步为了将不等式(18)转化线性矩阵不等式，定义矩阵为：

式中，是非奇异矩阵。

现在将(20)代入(18)，并且定义并且抽出模糊前进变量，得到：

式中，l∈L_i,是模糊规则，

接着，不等式(21)成立可得到J(k)＜0，那么

V(k+1)-1＜α(V(k)-1). (23)

从公式(23)得到：

V(k)＜α^k(V(0)-1)+1,>

对于零初始的情况，得到：

式中，

设计求解估计控制器的算法如下：

和(21)，其中估计器的增益可以求解如下：

在步骤S4中，考虑到每台水泵受外界环境干扰因素不同；用统一的定性与定量方法去抑制不同的外界环境干扰显得非常困难。针对这个问题设计估计器去估计这些外界的干扰信号。具体实施步骤如下：

步骤S41：首先考虑如下的补偿控制器：

式中，和是要设计的补偿控制器增益。

将公式(27)代入(5)，得到如下的光伏多水泵闭环控制系统：

式中，

步骤S42：接着考虑如下的李雅普诺夫函数：

式中，是正定对称矩阵。通过取李雅普诺夫函数V(k)的差分得到：

定义对称正定矩阵和矩阵随着公式(28)得到：

式中，

随着步骤S3得到我们进一步考虑如下的性能指标函数：

式中，β∈[0，1].

混合(29)-(31)，以下的不等式成立，那么保证J(t)＜0，

式中，是对称正定矩阵，和是适当维数矩阵，标量β∈[0，1].

定义，通过使用锥补引理并且抽出模糊前进变量后得到：

式中，

步骤S43：不等式(33)和(34)成立得到J(k)＜0,

式中，

对于零初始的情况，得到：

设计求解反馈补偿控制器的算法如下：

和(33)和(34)，其中和是控制器的增益，那么这一系列设计步骤可以实现水泵的扰动被反向补偿，稳定光伏多水泵系统的稳定工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。