基于切换系统的混合微电网交直流母线电压稳定控制方法

摘要

本发明涉及一种基于切换系统的混合微电网交直流母线电压稳定控制方法，步骤为：根据KVL得到互联变流器在混合微电网交直流微网联合并网、离网运行时的数学模型经park变换得到数学模型II1和数学模型II2；将数学模型II1和数学模型II2增广后得到切换系统模型I1和切换系统模型I2；结合未知参数，建立了含有未知参数的切换系统模型II1和切换系统模型II2；通过反步法结合改进自适应的方法为子系统1和子系统2分别设计了稳定控制器，同时构造出子系统1和子系统2的共同李雅普诺夫函数；根据混合微电网运行模式确定子系统1和子系统2的切换规律，共同李雅普诺夫函数确保切换过程的稳定性。本发明对混合微电网交直流母线电压具有很好的稳定效果。

说明书

技术领域

本发明涉及混合微电网交直流母线电压控制技术领域，具体涉及一种基于切换系统的混合微电网交直流母线电压稳定控制方法。

背景技术

能源是经济和社会发展的重要物质基础。工业革命以来，世界能源消费剧增，煤炭、石油、天然气等化石能源资源消耗迅速。传统以煤炭、天然气、石油等为主要燃料的火力发电，在发电过程中会产生大量的温室气体对生态环境产生恶劣影响，特别是温室气体的排放将导致日益严峻的全球气候变化，人类社会的可持续发展受到严重威胁。同时煤炭、石油、天然气等化石能源均属于不可再生能源，所以仅靠这些能源不足以维持人类社会长久稳定发展。与此同时利用可再生能源发电的清洁能源发电方式受到广泛关注。以光伏、风能为代表的分布式电源组成的微电网是目前分布式电源为新型用户供电的主要模式。传统的微电网有直流微电网以及交流微电网，交流微电网和直流微电网在目前的应用中各有一定的优势，但是也有一定的不足自处，为了综合两种微电网结构的优势，新加坡南阳理工大学王鹏科研团队提出并研究了交直流混合微电网。交直流混合微电网由交流子微网以及直流子微网组成，交流子网和直流子网间通过AC/DC互联变流器相连接，互联变流器可以实现功率的双向传输。正常运行时混合微电网与大电网相连，整个混合微电网处于交直流微电网联合并网的运行状态，交流母线的电压由大电网支撑，而直流母线的电压则靠互联变流器维持稳定；当大电网侧故障或者需要检修时，整个混合微电网则需要离网运行，处于交直流微电网联合离网状态，此时直流母线的电压靠储能装置维持稳定，而交流母线的电压则由互联变流器维持稳定，所以当整个混合微电网的运行状态发生切换时，也需要对互联变流器进行切换控制，才能保证交、直流母线的电压稳定。

目前有针对交直流混合微电网发生故障时可能导致运行模式不能及时切换的问题，提出了一种基于弱通信的混合微电网运行模式自适应切换策略；针对混合微电网在交直流微网联合孤岛运行模式下传统下垂控制的互联变流器存在惯性小、系统瞬态性能差的问题提出了基于自适应下垂控制策略；针对目前的控制策略未考虑子网间功率是否平衡以及交流母线电流畸变的影响提出了一种基于互联变流器的功率平衡和谐波电流治理策略。

切换系统自被提出以来就一直是控制界的研究热点。切换系统在稳定性分析、镇定等方面的研究最为广泛，目前切换系统控制理论在电力系统之中的应用也是一个新的研究方向，为解决电力系统中的控制问题提出了新的可能性。有文献将切换系统控制方法运用到了对传统交流微电网逆变器的控制之中保证了交流微电网在并网运行与孤岛运行之间进行切换时的稳定性。有文献将切换系统控制方法运用到了对发电机的切换控制之中。目前针对互联变流器的研究大多是针对混合微电网单一运行模式下的控制研究，很少有对混合微电网切换运行时互联变流器的切换控制过程的稳定性进行研究的，导致目前混合微电网在切换运行过程中交直流母线电压的稳定控制不理想。

发明内容

发明目的：本发明提出一种基于切换系统的混合微电网交直流母线电压稳定控制方法，其目的在于解决现有技术对混合微电网在切换运行过程中交直流母线电压的稳定控制较差的问题。

技术方案：

一种基于切换系统的混合微电网交直流母线电压稳定控制方法，步骤为：

1)根据KVL得到互联变流器在混合微电网交直流微网联合并网运行时的数学模型I1经park变换得到数学模型II1；根据KVL互联变流器在混合微电网交直流微网联合离网运行时的数学模型I2经park变换得到数学模型II2；

2)将数学模型II1增广后得到子系统1的切换系统模型I1，将数学模型II2增广后得到子系统2的切换系统模型I2；结合切换系统模型I1和切换系统模型I2中的未知参数，建立了含有未知参数的切换系统模型II1和切换系统模型II2；

3)通过反步法结合改进自适应的方法为子系统1和子系统2分别设计了稳定控制器，同时构造出子系统1和子系统2的共同李雅普诺夫函数；

4)根据混合微电网运行模式确定子系统1和子系统2的切换规律，共同李雅普诺夫函数确保切换过程的稳定性。

步骤1)中，数学模型I1为：

式中，C为直流侧滤波电容，L、R为交流侧滤波器等值电感和等值电阻，u

数学模型I2为：

式中，C为交流侧滤波器等值电容，v

步骤1)中，数学模型II1为：

数学模型II2为：

式中，i

切换系统模型I1为：

切换系统模型I2为：

式中，x

步骤2)中，切换系统模型II1为：

和切换系统模型II2；

式中，θ为定义的未知参数。

子系统1控制器设计方法为：

第一步：定义z

第二步：取第二阶李雅普诺夫函数为：

第三步：定义z

第四步：定义z

第五步：定义z

对V求导并推出：

选择参数替换率为：

式中，V

子系统2控制器设计方法为：

第一步：定义z

第二步：定义z

第三步：定义z

第四步：定义z

第五步：取全局李雅普诺夫函数为

对V求导并推出：

选择参数替换率为：

式中，V

子系统1的闭环误差系统为：

子系统2的闭环误差系统为：

式中，z

步骤3)中，共同李雅普诺夫函数为

并且

式中，V为全局李雅普诺夫函数，z

子系统1和子系统2的切换规律的表达式为：

式中：σ(t)：[0,∞)→{1,2}表示切换信号，是分段常值的，当σ(t)＝1表示系统运行在子系统1，σ(t)＝2表示系统运行在子系统2。

优点及效果：

本发明同时构造出了两个子系统的共同李雅普诺夫函数，保证了子系统间进行切换时的稳定性，并根据实际运行情况设计了切换规则，最后通过仿真验证了该控制方法的有效性，对混合微电网交直流母线电压具有很好的稳定效果，保证了混合微电网在交直流微电网联合并网运行模式与交直流微电网联合离网运行模式间切换时交直流母线电压的稳定性，进一步拓展了切换系统理论在电力系统中的应用。

附图说明

图1为交直流微网联合并网运行模式结构拓扑图；

图2为交直流微网联合离网运行结构拓扑图；

图3为两个子系统的切换信号；

图4为各个子系统运行过程中各状态变量的收敛情况；

图5为系统运行过程中采用自适应算法得到的θ的估计值与实际值的对比情况；

图6为直流母线电压的实时情况；

图7为交流母线电压的实时情况。

具体实施方式

以下结合说明书附图更详细的说明本发明。

本文针对混合微电网在交直流微电网联合并网与联合离网运行模式之间进行切换时交直流母线电压稳定性问题，提出将切换系统控制理论应用到对互联变流器的控制之中，从而实现对交直流母线电压的稳定控制。将交直流微电网联合并网与联合联网运行模式看成两个子系统，建立互联变流器及混合微电网的切换系统模型。同时考虑互联变流器数学模型中的未知参数，通过结合K类函数与自适应反步法设计各子系统的稳定控制器，同时构造了两个子系统的共同李亚普诺夫函数，保证了两个子系统在任意切换规则下的稳定性，实现了对混合微电网在切换运行过程中交直流母线电压的稳定控制。

1.建立模型

1.1联合并网运行模式

如图1所示为混合微电网交直流微网联合并网运行时的拓扑结构，此时PCC(公共连接点)点是闭合的，u

式中，C为直流侧滤波电容，L、R为交流侧滤波器等值电感和等值电阻，u

1.2联合离网运行模式

当PCC(公共连接点)点断开时，混合微电网处于交直流微网联合离网运行模式，拓扑结构如图2所示，V

式中，C为交流侧滤波器等值电容，v

1.3 park变换

将互联变流器在混合微电网交直流微网联合并网运行时的数学模型中的三相交流量经过park变换得到数学模型II1如下：

根据瞬时功率理论，可得到功率表达式：

又因在基于电网电压定向的同步旋转坐标系中，e

若不考虑逆变器的损耗，可得：

由(6)式可得：

将(7)式代入(3)式得到：

将互联变流器在混合微电网交直流微网联合离网运行时的数学模型中的三相交流量经过park变换得到数学模型II2如下：

(8)式和(9)式中，i

1.4建立切换系统

将互联变流器及混合微电网交直流微网联合并网运行模型视为子系统1，将互联变流器及混合微电网交直流微网联合离网运行模型视为子系统2。

令x

切换系统模型I2如下：

(10)和(11)式中，x

虑到系统模型中的等效电阻R可能会因为系统运行发热的影响发生变化而难以确定其准确值，所以R是一个未知参数，所以令

切换系统模型II2如下：

(12)和(13)式中，θ为定义的未知参数，其他各参数与切换系统模型I1和I2中相同。

2控制器设计

2.1子系统1控制器设计

第一步：定义z

令：

又因为：

x

将(15)，(16)代入(14)得：

其中

第二步：取第二阶李雅普诺夫函数为：

令

推出：

其中：

将(20)代入(19)得：

第三步：定义z

第四步：定义z

第五步：定义z

则：

推出：

其中：

选择参数替换率为：

将(28)代入(27)得：

选择合适的参数m

式中，V

2.2子系统2控制器设计

第一步：定义z

第二步：定义z

令

推出：

其中：

第三步：定义z

取：

其中：

x

将(37)、(38)代入(36)得：

第四步：定义z

其中：

取：

又有：

x

将(41)、(42)代入(40)得：

第五步：取全局李雅普诺夫函数为

则：

其中:

推出:

其中：

选择参数替换率为：

将(46)，(47)代入(45)得：

选择合适的参数m

式中，V

通过设计控制器和切换律保证系统稳定性，上式是保证系统稳定性的条件，控制器是通过满足这个不等式得到的。

2.3闭环误差系统

对于子系统1，在控制率(20)，(26)下，闭环误差系统如下：

对于子系统2，在控制率(34)，(46)下，闭环误差系统如下：

式中，z

3稳定性分析

由式(24)和式(44)可以看出，子系统1和子系统2拥有共同形式的李雅普诺夫函数：

并且

所以两个子系统在平衡点处是局部渐近稳定的，又由共同李雅普诺夫函数稳定性定理可知两个子系统是在任意切换信号下稳定的。

4切换律设计

因为两个子系统是任意切换信号下稳定的，所以两个子系统可以根据混合微电网运行模式时时切换，即当混合微电网运行在交直流微网联合并网运行模式时，则运行在子系统1，当混合微电网因大电网故障或者检修时运行在交直流微电网联合离网运行模式时，则切换到子系统2运行。而混合微电网的运行状态则可以通过检测PCC点的状态获得，当PCC点闭合时，混合微电网运行在交直流微网联合并网运行模式；当PCC点断开时，混合微电网运行在交直流微电网联合离网运行模式时。

定义σ(t)：[0,∞)→{1,2}表示切换信号，是分段常值的，当σ(t)＝1表示系统运行在子系统1，σ(t)＝2表示系统运行在子系统2，所以切换律可以表示如下：

5仿真分析

本文采用matlab仿真软件进行编程仿真。假设场景为：在t＝0s时刻，因大电网故障，混合微电网由交直流微电网联合并网运行模式切换到交直流微电网联合离网运行模式，此时系统由子系统1切换到子系统2运行；在t＝0.3s时，大电网恢复，混合微电网由交直流微网联合离网运行模式切换到交直流微网联合并网运行模式，同时切换系统由子系统2切换到子系统1运行。

参数设置如下：

C＝0.003F，R＝0.5Ω，L＝0.0012H，e

对于子系统1设置初始条件为：

(x

对于子系统2设置初始条件为：

(x

图3为两个子系统的切换信号，在0s-0.3s运行在子系统1，0.3s-0.6s运行在子系统2；图4为各个子系统运行过程中各状态变量的收敛情况，可以看到，各状态变量在系统切换瞬间短时间的波动后快速收敛到稳定状态；图5为系统运行过程中采用自适应算法得到的θ的估计值与实际值的对比情况，可以看出采用自适应算法得到的估计值在系统运行过程中可对实际值进行实时跟踪；图6和图7分别为直流母线电压以及交流母线电压的实时情况，可以看到，系统切换瞬间会引起母线电压的微小波动，但经过很短的时间便进入稳定状态，证明了该控制方法的可行性以及有效性。

本文根据混合微电网的运行状态以及互联变流器在混合微电网中的作用，将互联变流器及混合微电网在交直流微电网联合并网运行状态视为子系统1，将互联变流器及混合微电网在交直流微电网联合离网运行状态视为子系统2，建立了切换系统模型，同时考虑系统模型中的未知参数，建立了含有未知参数的切换系统模型，通过反步法结合改进自适应的方法为两个子系统设计了稳定控制器，同时构造出了两个子系统的共同李雅普诺夫函数，保证了子系统间进行切换时的稳定性，并根据实际运行情况设计了切换规则，最后通过仿真验证了该控制方法的有效性，对混合微电网交直流母线电压具有很好的稳定效果，保证了混合微电网在交直流微电网联合并网运行模式与交直流微电网联合离网运行模式间切换时交直流母线电压的稳定性，进一步拓展了切换系统理论在电力系统中的应用。