本發(fā)明涉及直流微電網(wǎng)，特別是涉及一種基于大信號穩(wěn)定的直流微電網(wǎng)buck變換器自適應(yīng)無源控制方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，微電網(wǎng)作為有效集成可再生能源、儲能設(shè)備、和不同類型負載的小型配電系統(tǒng)受到廣泛關(guān)注。由于直流微電網(wǎng)中不存在無功功率、相位和頻率，因此直流微電網(wǎng)還具有系統(tǒng)成本低、損耗較低、容易控制等優(yōu)點。正是由于具備了上述優(yōu)點直流微電網(wǎng)可以更加高效、更加可靠地吸納分布式能源出力。不同于傳統(tǒng)交流電網(wǎng)架構(gòu)系統(tǒng)，由于采取直流供電方式，直流微電網(wǎng)中衡量電網(wǎng)穩(wěn)定運行的指標(biāo)有且僅有直流母線電壓的幅值。此外，buck變換器作為直流微電網(wǎng)最常見的接口之一，可減少直流電源和負載的冗余能量轉(zhuǎn)換階段。然而，恒功率負載所表現(xiàn)的負增量阻抗特性嚴重威脅了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，探索能實現(xiàn)快速母線電壓調(diào)節(jié)的控制器并維持直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運行非常必要。

2、為了消除恒功率負載引起的不穩(wěn)定性問題，最初提出的解決方案可歸類為被動阻尼法以及基于線性控制技術(shù)的主動阻尼法。被動阻尼法主要通過增加電感、電容或者lc濾波器等元件來優(yōu)化系統(tǒng)的阻抗分布，改善系統(tǒng)的阻尼特性從而抑制極限環(huán)震蕩的出現(xiàn)。盡管系統(tǒng)的穩(wěn)定得以確保，但此種方法會導(dǎo)致系統(tǒng)重量和能量損失的增加。主動阻尼方法依托于虛擬阻抗技術(shù)，通過改變系統(tǒng)控制回路從而抑制系統(tǒng)震蕩以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定。然而，由于采用小信號模型對在穩(wěn)態(tài)工作點附近的系統(tǒng)展開分析，并以線性控制算法為手段對系統(tǒng)的震蕩進行抑制，上述主動阻尼法僅能確保系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作點鄰域內(nèi)的正常穩(wěn)定運行。為了克服上述缺陷，提出了一系列基于大信號穩(wěn)定的非線性控制策略應(yīng)用于解決由于恒功率負載所造成的不穩(wěn)定問題之中，例如：魯棒控制、反步控制、滑?？刂?、模型預(yù)測控制、深度強化學(xué)習(xí)控制等，然而上述非線性控制器無法避免設(shè)計困難，參數(shù)整定復(fù)雜等問題。由于具有簡單、高效和易于應(yīng)用等優(yōu)點，無源控制在包括電力電子領(lǐng)域在內(nèi)的工業(yè)界獲得了長足的發(fā)展。當(dāng)采用此方法解決恒功率負載引起的不穩(wěn)定問題時，無源控制通過阻尼注入確保被控系統(tǒng)的無源性，以消除極限環(huán)震蕩現(xiàn)象，并通過能量重塑使系統(tǒng)中吸收、儲存以及耗散的能量保持動態(tài)的平衡，從而最終確保系統(tǒng)在其額定工作狀態(tài)下的穩(wěn)定運行。此外，為消除系統(tǒng)不確定性造成的靜態(tài)誤差，提出將積分環(huán)節(jié)與無源控制相結(jié)合的控制策略。然而受反饋環(huán)節(jié)影響存在超調(diào)量較高，動態(tài)響應(yīng)較慢等缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題以滿足實際的情況需要，提出了一種基于大信號穩(wěn)定的直流微電網(wǎng)buck變換器自適應(yīng)無源控制方法。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明提出一種基于大信號穩(wěn)定的直流微電網(wǎng)buck變換器自適應(yīng)無源控制方法，所述控制方法以無源控制理論為基礎(chǔ)，通過虛擬阻抗技術(shù)對直流微電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗進行重新優(yōu)化調(diào)整以使整個直流微電網(wǎng)系統(tǒng)處于無源穩(wěn)定狀態(tài)；所述方法具體為：

3、基于電路拓撲的高階擾動觀測器被用于對集中擾動所造成的穩(wěn)態(tài)誤差進行在線估計和前饋補償；改進的無源控制算法被用于確保直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的大信號穩(wěn)定以及對集中擾動的補償；通過混合勢函數(shù)理論對改進的無源控制算法進行大信號穩(wěn)定性分析，并給出穩(wěn)定邊界條件以及參數(shù)選取準(zhǔn)則。

4、進一步地，假設(shè)buck變換器及其所帶cpl運行在連續(xù)電流模式，則該直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的平均狀態(tài)模型表述為:

5、

6、上式中，pcpl為恒功率負載的功率，μ為占空比；由式(1)可知，電感與其等效串聯(lián)電阻值、電容與其等效串聯(lián)電阻值、輸入電壓、電阻以及恒功率負載功率的變化均可對輸出電壓造成影響；而所述控制方法所涉及擾動主要為輸入電壓、恒功率負載以及恒阻抗負載的變化，當(dāng)將上述因素考慮在內(nèi)時，式(1)改寫為：

7、

8、式(2)中，d1與d2分別代表由輸入電壓以及由負載波動造成的擾動，表示為

9、

10、式(3)中，e0，r0，pcpl0分別為輸入電壓、恒阻抗負載以及恒功率負載功率的額定值；

11、定義如下向量組：

12、

13、則公式(1)與式(2)可分別改寫為如下所示的矩陣形式：

14、

15、

16、所述控制方法目標(biāo)為在擾動存在的情況下實現(xiàn)全局的漸進穩(wěn)定，即在d為非空矩陣情況下實現(xiàn)

17、

18、上式中，對于矩陣z中的元素的初值z10,z20,存在z10≥0，z20>ε；zd為向量組z的參考軌跡矩陣，ε為任意小正實數(shù)。

19、進一步地，所述的改進的無源控制算法中無源控制器的設(shè)計具體為：根據(jù)無源控制理論，當(dāng)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)由電源提供的能量等于直流微電網(wǎng)系統(tǒng)耗散能量與直流微電網(wǎng)系統(tǒng)儲存能量之和時，整個直流微電網(wǎng)系統(tǒng)是無源的；基于無源控制理論通過虛擬電阻的手段，即通過調(diào)節(jié)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中電感串聯(lián)虛擬電阻r1d與電容并聯(lián)虛擬電阻r2d，在不產(chǎn)生直流微電網(wǎng)系統(tǒng)額外能量損耗的同時，優(yōu)化直流微電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗分布以確保直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的無源性，并通過能量重塑平衡各部分能量從而達到對帶恒功率負載和恒阻抗負載buck電路的穩(wěn)定控制。

20、進一步地，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量重塑具體為：考慮被重塑能量的變化趨勢，電感與電容中的能量在新的平衡時均取得最小值，因此，對式(6)進行如下變換，以實現(xiàn)對能量的重塑；

21、

22、其中代表z偏離軌跡參考值向量組zd幅度。

23、進一步地，對直流微電網(wǎng)系統(tǒng)進行阻尼注入，阻尼注入通過將虛擬阻抗引入直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，從而改變系統(tǒng)阻抗分布使其處于無源狀態(tài)以最終達到消除系統(tǒng)中的能量震蕩的目的，其中，虛擬阻抗的引入過程通過修改方程(8)來實現(xiàn)。

24、進一步地，構(gòu)建如式(9)所示的虛擬阻抗矩陣

25、

26、令ri＝r(zr)+rd，并在式(8)兩側(cè)分別加入可得

27、

28、當(dāng)取值得當(dāng)?shù)奶摂M電阻引入系統(tǒng)時，可以確保系統(tǒng)中多余暫態(tài)能量被充分耗散，并確保系統(tǒng)的全局漸進穩(wěn)定性，從而使得因此可知式(10)的左側(cè)將趨近于零，即

29、

30、上式證明可以通過李雅普諾夫穩(wěn)定定則實施；令為式(11)平衡點，同時為包含的域；設(shè)s:d→r為連續(xù)積分函數(shù)，s(0)＝0且在d-{0}內(nèi)，在d內(nèi)，則平衡點是穩(wěn)定的，且如果在d-{0}內(nèi)，則平衡點是漸進穩(wěn)定的；設(shè)系統(tǒng)存儲的總能量為

31、

32、由于矩陣h為正定矩陣，故系統(tǒng)儲能函數(shù)對式(12)求導(dǎo)可得

33、

34、對式(11)進行變換，并將公式(13)帶入公式(11)可得

35、

36、式(14)中，由于g為反對稱矩陣，因此而r(z)為對稱矩陣，僅需確保對角線元素均為正數(shù)，即可保證式(14)的值為小于零的負值，根據(jù)李雅普諾夫直接法定義，整個系統(tǒng)最終將趨近于全局穩(wěn)定的漸進平衡點，而不受變換器開關(guān)的動作影響；因此，式(10)中等號左面等于零，對其進行改寫可得

37、

38、將上式改寫為方程組形式，即可獲得如下所示的無源控制的動態(tài)特性方程

39、

40、由于buck變換器為非最小相系統(tǒng)，因此用ilref與vcref分別替換ild與vcd，且令ild與vcd導(dǎo)數(shù)值為零，即可實現(xiàn)對參考電壓的跟蹤

41、

42、整理式(17)，用于buck變換器pbc控制算法的電壓環(huán)控制方程與電流環(huán)控制方程分別如式(18)、式(19)所示

43、μ＝(vcref+r1d(ilref-il))/e?(18)

44、

45、在額定狀態(tài)下，根據(jù)式(18)和(19)構(gòu)建無源控制算法，所述無源控制算法基于雙環(huán)控制架構(gòu)，電壓外環(huán)將輸出電壓與電壓參考值的差值通過式(19)運算在實現(xiàn)對參考電壓追蹤的同時產(chǎn)生電感電流的參考值，電流內(nèi)環(huán)再通過對比電感電流與參考電流并通過式(18)運算，產(chǎn)生相應(yīng)的pwn信號以實現(xiàn)對電流跟蹤。

46、進一步地，所述高階擾動觀測器的設(shè)計具體為：將動態(tài)特性方程轉(zhuǎn)化為一般非線性方程模式：

47、

48、其中x∈rn,u∈rm,d∈rr分別為系統(tǒng)的狀態(tài)變量矩陣，被控輸入矩陣以及擾動矩陣，f(x,μ；t)為系統(tǒng)方程，其與秩為r的矩陣f均為已知；假設(shè)擾動緩慢變化，即可將擾動視為常量擾動，且由于狀態(tài)變量x可測量且其初始值已知，因此式(20)所示系統(tǒng)可以降階為

49、

50、上式中，f+為矩陣f的偽逆矩陣，如式(20)所示系統(tǒng)的常量擾動觀測器的一般形式如下式所示

51、

52、上式中，為擾動估計向量組，而γ0＝diag{γ01,γ02...,γ0i}，γ0i＞0(i＝1,2...,r)為需要調(diào)試的觀測器增益系數(shù)矩陣；設(shè)觀測器誤差為

53、

54、聯(lián)立式(21)至式(23)，可得如下所示的觀測器誤差導(dǎo)數(shù)方程

55、

56、由上式可知，當(dāng)觀測器增益系數(shù)矩陣-γ0為hurwitz矩陣時，擾動估計值將在無窮處趨近于擾動值d；由此對輸入電壓擾動進行觀測的高階擾動觀測器如下所示

57、

58、針對恒阻抗負載以及恒功率負載擾動的高階擾動觀測器如下所示

59、

60、通過將式(18)、(19)、(25)、(26)帶入式(2)可得到將擾動考慮在內(nèi)的自適應(yīng)無源控制算法的控制方程

61、

62、

63、進一步地，所述的大信號穩(wěn)定性通過如下所示的大信號穩(wěn)定判據(jù)判斷；

64、

65、本發(fā)明還提出一種電子設(shè)備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)所述一種基于大信號穩(wěn)定的直流微電網(wǎng)buck變換器自適應(yīng)無源控制方法的步驟。

66、本發(fā)明還提出一種計算機可讀存儲介質(zhì)，用于存儲計算機指令，所述計算機指令被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)所述一種基于大信號穩(wěn)定的直流微電網(wǎng)buck變換器自適應(yīng)無源控制方法的步驟。

67、本發(fā)明的有益效果：

68、本發(fā)明提出一種基于大信號穩(wěn)定的直流微電網(wǎng)buck變換器自適應(yīng)無源控制方法，消除恒功率負載負阻抗特性對直流微電網(wǎng)中buck變換器穩(wěn)定運行的影響，并提高直流微電網(wǎng)中負載擾動時系統(tǒng)的暫態(tài)性能。該控制方法以無源控制理論為基礎(chǔ)，通過虛擬阻抗技術(shù)對系統(tǒng)阻抗進行重新優(yōu)化調(diào)整以使整個系統(tǒng)處于無源穩(wěn)定狀態(tài)。針對因系統(tǒng)不確定性致使偏離額定工作狀態(tài)而造成的穩(wěn)態(tài)誤差，本發(fā)明設(shè)計并應(yīng)用了高階擾動觀測器技術(shù)來對不確定性所造成的穩(wěn)態(tài)誤差進行前饋補償，從而保證了系統(tǒng)在擾動以及不確定性存在狀況下的穩(wěn)定無差運行。此外，為了確保所提算法的大信號穩(wěn)定，采用混合勢能函數(shù)理論進行穩(wěn)定性分析并給出參數(shù)選取準(zhǔn)則。最后，通過仿真平臺對所提出算法的有效性和優(yōu)越性進行驗證。