文摘

针对微型智能电网"公共连接点的电压畸变引起的非线性负载H_∞状态反馈赖账的重复控制策略提出了整顿的输出电压总谐波失真。首先,通过建立状态空间的重复控制器,引入状态反馈,结合H_∞控制理论,调整系统的稳定性问题是一个凸优化问题的一组线性矩阵不等式(LMI)约束有待解决,可以保证稳定控制精度高和antiharmonic干涉加强。其次,通过引入赖账的控制技术,以改善系统的瞬态响应速度、负载的变化引起输出电压的变化可以快速补偿。与现有的方法相比,所设计的控制方法具有稳定性好,谐波含量低,收敛速度快,结果更容易验证。最后,仿真验证了该控制策略的有效性。

1。介绍

近年来,微型智能电网"已收到广泛关注以其独特的形式的分布式发电系统的灵活性和优势最大化(DG) [1- - - - - -3]。其内部能量转换主要是通过电力电子,和分布式发电系统的逆变器是核心环节,其操作状态关系到整个系统的性能,和z-source逆变器广泛应用是因为它的电压和降压转换的函数。当岛上的微型智能电网"运行模式时,受非线性负载产生的谐波电流,电压的常见的耦合是因此扭曲,导致电源电压质量的退化,影响正常运行的负载和逆变器4- - - - - -6]。因此,它具有十分重要的现实意义,研究了控制策略来降低总谐波失真(THD)的输出电压满足非线性负载的需求。

比例积分(PI)控制,尽管缺乏(7,8)对谐波抑制,广泛应用于微型智能电网"逆变器由于其容易实现结构,和重复控制,利用它的方便实现,容易实现结构,和高效波形控制,广泛应用于控制逆变器,但响应速度很慢(9]。为了提高系统的鲁棒性,10)提出了一种结合控制器重复性和滑模控制和前馈控制来改善其动态特性,但相位超前的设计单位和低通滤波器是复杂的。文献[11)提出了一种基于混合灵敏度方法确定重复的控制参数。然而,这需要努力,选择加权函数。文献[12,13)提出了一种设计方法H_∞控制理论来获得一个稳定的补偿器来提高其鲁棒性,但补偿装置具有良好的性能往往高端和复杂的实现。大多数文献中提到的重复控制设计技术是基于传递函数的方法,这并不足以应对造成的时变不确定性负荷变化。不仅是解决方案的过程复杂,而且稳态误差和相位角磋商后保证金用于判断系统性能基准量,这通常是通过启发式。

赖账的控制被广泛研究的响应速度快和容易实现,而非其可怜的鲁棒性(13]。文献[14)提出了一种改进的非周期的控制策略,以弥补造成的延迟数字实现通过预测系统的行为,但是它需要选择大订单,确保算法预测的准确性,使计算过程复杂。

灵感来自上面的文献中,为了减少PCC点电压的谐波含量z-source逆变器的非线性负载,实现权力分享,本文提出一种H_∞状态反馈赖账的重复控制基于parameter-optimized下垂控制器(H_∞SFDBRC)策略。针对传统的重复控制的缺点是不足以处理时变不确定性引起的负载变化,解决方案过程的复杂性,以及验证的困难条件下,本文设计一种改进重复控制系统,优化了重复控制器的设计,构造状态空间表达式的公式,介绍了H_∞状态反馈控制,因此重复控制器的设计转化为一个凸优化问题的一组LMI约束根据李雅普诺夫函数;由于固有的延迟重复控制的特点,为了提高系统的暂态性能得到更好的抗干扰特性,提出了一种新概念的拓扑,赖账的控制技术,提供系统的快速动态响应开始后或在大载荷步骤变化。仿真模型是建立在MATLAB / Simulink仿真平台,仿真结果验证了该控制策略的有效性。

2。系统结构

单相离网逆变器系统基于z-source逆变器如图1。设计的控制系统有三个组成模块:重复控制、赖账的控制和下垂控制模块。l_f和C_f滤波电感和电容,R_低频滤波电感的等效串联电阻,R_我和l_我线路阻抗,我_Labc是一个电感电流,u_C电容电压,V_{0美国广播公司}是输出电压,K₁₁,K₁₂,K₂由LMI竞争控制器系数计算,问(年代)e^−sτ是一个一阶低通滤波器,K₃,K₄,K₅,K₆的系数是赖账的控制系统,u_k电压空间矢量调制信号,k_p和k_问下垂系数,f₀额定频率,U₀时的电压幅值输出无功功率为零,然后呢P,问分别测量值的活跃和无功功率。测量变频器输出电压V_{0美国广播公司}和滤波电感电流我_Labc公园形成,被转换成电压V_{0美国广播公司}和当前我_Labc在两相旋转坐标系。的输入电压V_0dq和当前我_Labc进了下垂控制系统产生参考电压r,然后转换成调制波信号重复性和非周期的控制。控制逆变器的开关管后,可以实现电压信号的有效跟踪。

图1显示了下垂控制外层循环的简化拓扑和电压控制内循环(图2)。

z-source逆变器由两个电容器和两个电感形成一个交叉形网络,连接三相逆变器的直流源。二极管的作用是防止当前流回直流侧。在正常操作中,有两个直通和nonstraight-through;当上、下电力设备同一桥臂的同时打开,在直通状态,通过z-source逆变器可以灵活地增加和下台;nonstraight-through状态指的是传统的逆变器状态。数据3和4在直通和nonstraight-through状态等效电路,分别。

由于三相滤波电路和参数都是一致的d_问设在独立坐标转换后,简单地分析d设在单相感应滤波器如图5;直流电压,z源网络,电压源逆变器是等价的u(t的影响),这两个控制输出电压的线性和非线性负荷建模不确定性负荷导纳Y₀(t)和外部电流源我_d(t)。

选择电感电流我_Ld和电容电压V_0d作为状态变量,根据基尔霍夫定律建立电路方程

组织成一个矩阵形式

如果x(t)= (我_Ld(t)V_{0 d}(t)]^T,它可以写成状态空间表达式。 在哪里x(t)∈R逆变器的状态向量,u(t)∈R是控制输入,y(t)∈R是控制输出,我_d(t)∈R是周期性的干扰,一个(Y₀(t))的矩阵函数不确定参数Y₀(t)。

假设的最小和最大值Y₀(t)是已知的

的参数Y₀(t)通常是根据其名义价值转换Y_N和偏差Y_D,如下所示: 在哪里 。

根据(5) 在哪里一个(Y_N),H(Y_D),E是不确定的常数矩阵结构,由以下公式给出:

2.1。电压控制策略

重复控制是反映偏差操作从以前到现在,并将它添加到控制对象一起“当前偏差”控制来提高跟踪精度和抑制周期性干扰。然而,这样的闭环系统具有无限的波兰人在虚拟轴。是不可能通过古典控制方法来实现稳定。

图6显示了重复控制器和一个低通滤波器;设置低通滤波器问(年代), 在哪里ω_c和T的转角频率和时间常数是一阶低通滤波器,分别。大小的确定的方法ω_c如下: 在哪里ω₀调制参考信号的频率带宽: 。

从图6,重复控制器的传递函数

从公式推导(8)和(9),公式的状态空间(9)是可用的 在哪里x_{钢筋混凝土}(t)是一个低通滤波器的状态函数。

2.2。的设计H_∞状态反馈重复控制器

构建增加向量如下:

规则(3)和(11)可以被转换成 在哪里

从图所示7在闭环系统,控制利率(13)是 在哪里 。

覆盖u₁(t) 在哪里 。

然后增强系统(13)是写成 在哪里 ,和取决于K₂

验证上述系统的稳定性,忽略外部输入问(t),可以缩写为闭环系统

对于一个给定的截止频率ω_c,获得F需要确定,以便系统是渐近稳定的Y₀(t)。

鉴于上述增广系统,介绍了性能标准: 在哪里p(t)定义了输出性能 在哪里C_p和D_p的常数矩阵是合适的尺寸。

进一步确保系统轨迹有一个给定的指数衰减的速度α 在哪里β是一个积极的标量和Z(0)是初始状态。

为了获得系统的鲁棒渐近稳定的充分条件(19根据(),16),可以解决上面的问题下面的引理。

引理1(见[15])。对于给定的积极的标量ω_c和α,考虑公式(17)和(21)。假设有一个对称正定矩阵W,年代∈R^3×3,矩阵Y∈R^1×3和积极的标量λ和ν感到满意 在哪里 。

然后闭环系统方程(17当获得)逐渐稳定 。

注1。引理1给出了稳定性条件H_∞重复控制的逆变器有一个不确定的负载和状态反馈控制的设计方法。这表明闭环系统(19)是逐步稳定,闭环系统(17)内部稳定。
本文利用LMI优化重复控制器的设计,并使用MATLAB工具箱来解决这个问题。相比与传统决定了重复控制器设计方法,通过启发式,参考数量,稳态误差和相角,本文获得他们通过求解线性矩阵不等式,同时简化了设计过程,减少过滤器的数量和整个系统的成本,促进解决时变不确定性由负载变化引起的。见表1逆变器的参数。
取ω_c= 1000,α= 155,重复控制器的参数获得通过LMI根据引理1是

2.3。H_∞状态反馈赖账的重复控制

由于延迟的固有性质的特征重复控制器,系统的动态性能很差。而非周期的控制具有快速瞬时反应和低谐波失真率,为了提高系统的动态性能,弥补造成的失真死时间的开关,介绍赖账的控制技术,并提出一个新的概念拓扑如图8。

抽样赖账的控制原理图所示9,表示为采样周期T,逆变器的输出值表示为+E和−E,ΔT(K)代表的调整宽度KΔth周期方波,一样的T(K)代表的宽度K+ 1周期。采样周期的电压值是由采样值在时间和下次的参考价值。

微型智能电网"逆变器工作时,赖账的控制技术引入考虑实际的负载电流的影响,使整个系统可以自动补偿负载扰动时的瞬态性能,所以它可以在系统启动或加载步骤使用。它提供了快速动态响应变化的时期。

系统采用离散仿真。为什么数字系统可以实现赖账的控制效果是下击败的系统的输出总是可以表示为一个线性组合的当前输入控制量和系统状态变量。当系统偏离参考价值时,它会迅速做出反应。负载扰动补偿和下一个开关周期的脉冲宽度计算。根据公式(状态空间表达式3),它是离散化等效脉冲原理;自从赖账的控制器主要用于提供快速动态响应在系统启动或加载步骤响应,为了简化计算,Y₀(t)作为固定值是可用的 在哪里我_0d是d-axis负载电流。

扩大了公式(26)

根据公式(28),电容器的电压V_{0 d}(k+ 1)t_{k+ 1}时间是由V_{0 d}(k),我_Ld(k),u₂(k)t时间。相反,如果V_{0 d}(k+ 1),V_{0 d}(k),我_Ld(k)是已知的t_k时间,那么输出电压u₂(k)t_k时间可以计算。计算公式可以由公式(28):

事实上,这两个V_{0 d}(k),我_Ld(k)t_k时间采样值,这是已知的。现在让我们确定电容器的电压V_{0 d}(k+ 1)的时候t_{k+ 1}。从公式可以看出(28),系统的输出是理想电容电压和输出电压的逆变器是标准的正弦参考电压。因此,参考电压r(k+1)的t_{k+ 1}可以用来代替电容器电压V_{0 d}(k+ 1)t_{k+ 1},也就是说,

系统集成控制律u_k=u₁+u₂;因此,有必要获得的离散时间模型u₁,在那里K₁x(t)是获得从静态反馈和不需要离散化的过程。K₂y_{钢筋混凝土}(t)来源于动态补偿器,必须离散确定之间的关系y_{钢筋混凝土}(t),e(t)。离散化方程(10)可以获得的离散传递函数e(z)y_{钢筋混凝土}(z) 在哪里 ,差分方程

从方程(31日)和(32),

系统控制律

根据文档的结论17),当H_∞状态反馈独立重复控制和非周期的控制行为,系统是稳定的,所以复合系统也稳定。

总之,本文的控制律的设计步骤如下。

步骤1。提供合适的ω_c和α。

步骤2。解决以下凸优化问题:

步骤3。计算

步骤4。解决输出电压u₂在t=k,获得状态反馈系数。

2.4。下垂控制

本文研究了逆变器的岛模式;计算公式的平均有功功率P和无功功率平均水平问如下:

的公式,和低通滤波器的截止频率。

下垂控制方程

的公式,k_问和k_p下垂特性系数,f₀额定频率,U₀时电压振幅输出无功功率是0。控制参数如表所示2。

2.5。仿真验证

本文建立了一个微型智能电网"操作仿真模型和两个DG在MATLAB / Simulink软件平台上,如图10。DG的直流总线电压模块维护的理想电源,采用相同的LC滤波器和线路阻抗。标准的低压馈线阻抗微型智能电网"是0.642 +j0.0083Ω/公里。的线路阻抗从DG1 DG2 1.284 +j0.0166Ω/公里。常见负载load3连接到公共交流总线的微型智能电网",通过电源开关K。

为了验证本文提出的控制策略的有效性,以下进行仿真实验。负载是一个整流器21.8Ω输出与一组10.9Ω电阻。

图(11日)显示了一个输出电压在系统启动阶段。可以看出,由于电压赖账的控制技术,取得了良好的跟踪在很短的时间。如图11 (b),周期性误差信号开始波动,然后快速收敛于一个非常小的水平(小于0.5 V),和整个系统是稳定的。然后应用一个大负载阶跃变化测试检查系统控制性能。在0.4秒的时间点,从一组非线性负载突然增加两组。图12(一个)显示相应的PCC点电压和电流的变化。可以看出,对于大型负载变化,系统健壮和经受变异。图12 (b)显示了有功功率和无功功率的变化,当系统负载变化一步一步。可以看出,系统仍然可以保持稳定,平均分配的活跃和无功功率负荷一步变化,和电源波动趋于稳定在很短的时间内,表明该控制策略具有良好的抗干扰性能和动态响应性能。

根据的比较方法18),该H_∞赖账的重复控制与状态反馈H_∞重复控制和PI控制(以下简称H_∞SFDBRC,H_∞钢筋混凝土和π),H_∞重复控制和PI控制是由我们自己设计,和其他条件,如逆变器参数和线路阻抗是一致的。这是证明了设计的控制策略可以提高逆变器的性能PCC点电压近似非线性负荷。

当使用PI控制,PCC点电压波形、电压误差和光谱分析结果如图(13日)。从图可以看出,PCC点电压波形有明显的失真,稳态误差是最大的,跟踪性能很差。并网电压波形的质量差,和电压谐波含量是4.91%。

当使用H_∞RC, PCC点电压波形、电压误差和光谱分析结果如图13 (b)。介绍内部模型链接使系统更好地补偿谐波电压,和PCC点电压波形质量比PI控制策略,电压波形平滑,谐波补偿效果好,电压谐波含量是2.44%,和稳态误差比PI控制,但动态响应速度慢。

当使用H_∞SFDBRC, PCC点电压波形、电压误差和光谱分析结果如图13 (c)。此时,系统的稳态误差是最小的,优秀的跟踪性能显著提高电压波形质量。的赖账的控制技术引入到系统提高了系统的抗干扰性能,使系统能够快速应对各种突发问题。电压波形的质量比前两个控制策略,和谐波补偿效果很好,和电压谐波含量仅为0.67%。

为了进一步验证该方案的可行性,PCC点电压波形和功率变化在以下两种情况进行了仿真。情况下,只有逆变器DG1运行在系统启动时,DG2开关是收于0.4 s,和仿真时间是1 s。仿真波形如图(14日)- - - - - -14 (c)。微型智能电网"是正常运行时,它连接到互连的DG2 0.4 s。DG1和DG2保持良好的协调操作。PCC电压迅速回到一个稳定的正弦曲线后轻微的波动,在有功功率和无功功率也可以迅速采取行动,实现权力分享和保持稳定。它还可以迅速采取行动,实现权力分享和保持稳定。

在两种情况下,两个逆变器并联运行,仿真时间是1 s,开关K_n断开连接在0.4 s, DG2退出操作。从仿真波形图14 (d)- - - - - -14 (f),可以看出,当微型智能电网"并行运行,当一个DGs由于故障退出运行的微型智能电网"可以快速反应并达到一个新的稳定的状态,在PCC电压几乎不变,仍为正弦曲线,和有功功率和无功功率的分布和转换也在这个过程中保持极高的精度。

总之,本文提出的控制策略仍然可以确保稳定和正常操作的微型智能电网"当DG连接或断开连接或负载变化。

3所示。结论

针对的问题在连接公共电网电压畸变的岛微型智能电网"由非线性负载引起的,本文设计一个H_∞状态反馈赖账的重复控制策略来减少输出电压总谐波失真。通过理论分析和研究,可以得出以下结论。(1)李雅普诺夫函数是用来优化设计问题的重复控制器,闭环系统的鲁棒性是确保通过引入状态反馈,结合H_∞控制理论,设计问题转化为一组线性矩阵不等式约束的凸优化问题,从而简化了重复控制的设计,并与传统的设计方法,参数表示系统的稳定性可以准确地获取和验证。它不需要通过重复测试的试验方法。它更适合于实际工程应用和具有稳定性好,谐波含量低,收敛速度快。(2)赖账的控制技术的引入,不仅有效地提高了系统的响应速度,而且补偿引入的失真开关死时间。通过仿真,我们可以发现微型智能电网"可以快速反应和回应不管实际系统启动时间或大负载阶跃变化的时期。达到稳定状态。(3)仿真结果表明,相比之下,PI控制H_∞重复控制,该控制策略可以有效地减少谐波,在PCC点提高电压质量,在非线性负载条件下具有良好的控制性能。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。见表1逆变器的相关参数:参数和值:z源电容C /μF、4000、z-source电感L / mH, 0.5,滤波电感,低频/ mH, 0.6,滤波电容器,Cf /μF、1500、阻尼电阻、RL / 0.01Ω,最低准入/秒,0.0001,最大导纳/秒,0.2,开关频率、F / KHz, 21.6,和直流总线电压/ V, 800。取ω_c= 1000,α= 155。控制参数如表所示2参数和值:线路阻抗/ + 1.284Ωj0.0166、过滤参数w_f1= 50;w_f2= 100,额定频率/ 50 Hz电压振幅/ 110 V,下垂系数。k_p= 10 - 5k_问= 3×10 - 4。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。