基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制方法

摘要

本发明公开了一种基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制方法，包括步骤：S1.确定负载电流参考值；S2.确定各源换流器支路的电流数学模型；S3.确定基于不确定与扰动估计的各源换流器支路的不确定动态模型；S4.确定基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制的参考模型以及误差方程；S5.根据各源换流器支路的不确定动态模型进行不确定干扰估计，得到不确定干扰估计结果；S6.计算VSC鲁棒下垂控制的控制律。本发明能够保证公共直流母线电压稳定在额定电压值并具有一定的抗扰能力，同时确保各个源换流器按照自身容量等比例合理承担负荷。

权利要求

1.一种基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制方法，其特征在于：包括如下步骤：S1.确定负载电流参考值；

S2.确定各源换流器支路的电流数学模型；

根据如下公式确定各源换流器支路的电流数学模型：

其中，Idci为第i个换流器的输出电流； 为第i个换流器的输出电压参考值；Zo为支路总阻抗；Vbus为公共直流母线的实际电压值；

S3.根据各源换流器支路的电流数学模型，确定基于不确定与扰动估计的各源换流器支路的不确定动态模型；

所述步骤S3，具体包括：

S31.对各源换流器支路的电流数学模型进行改进，得到改进后的电流数学模型：‑1

其中，L 为拉普拉斯逆变换符号；*为卷积符号；τi为第i个换流器的时间常数；s为复变量；Vdci为第i个换流器的输出电压；fi为第i个换流器的运行过程中的不确定与扰动；所述ΔZoi＝Zoi‑Zo0，Zoi为第i个换流器支路的总输出阻抗，Zo0为第i个换流器支路的总输出阻抗的额定值；di为参数不准确和系统未知扰动；

S32.对改进后的电流数学模型进行推导，得到各源换流器支路的不确定动态模型：其中， 为第i个换流器的输出电流的导数；σ为运行过程中的集总不确定与扰动，所述σ为：S4.根据各源换流器支路的不确定动态模型，确定基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制的参考模型以及误差方程；

S5.根据各源换流器支路的不确定动态模型进行不确定干扰估计，得到不确定干扰估计结果；

S6.根据负载电流参考值、VSC鲁棒下垂控制的参考模型、VSC鲁棒下垂控制的误差方程以及不确定干扰估计结果，计算VSC鲁棒下垂控制的控制律。

2.根据权利要求1所述的基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制方法，其特征在于：根据如下公式确定负载电流参考值：其中，Iiref为各支路负载电流参考值；Iload为公共直流母线上所承担的负载总电流；

为直流配电网公共直流母线的电压设定值；Vbus为公共直流母线的实际电压值；ndi为正的下垂系数；nsi为容量比例系数，所述nsi为： Si为各源换流器的容量， 为系统参与运行的所有源换流器容量之和，l为所有源换流器的个数，i以及k均为标识符号。

3.根据权利要求1所述的基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制方法，其特征在于：基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制的参考模型为：其中， 为时刻t时参考模型状态变量的导数；xm(t)为时刻t时参考模型的状态变量；um(t)为时刻t时系统的参考指令；am和bm均为常系数，且am＞0。

4.根据权利要求1所述的基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制方法，其特征在于：步骤S4中，以支路负载电流Idci渐近跟踪负载电流参考值Iiref为控制目标，调整各源换流器支路的不确定动态模型中各参数值，使得各支路负载电流的跟踪误差ei满足基于不确定与扰动估计理论所需的动态方程 其中，所述跟踪误差ei为：ei＝Iiref‑Idci，所述动态方程 为： Ki为误差反馈增益系数，且Ki＞0。

5.根据权利要求4所述的基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制方法，其特征在于：步骤S5中，根据如下公式确定不确定干扰估计结果：其中， 为第i个换流器的负载电流参考值导数；K为误差反馈增益系数；Gfi(s)为具有目标带宽的滤波器。

6.根据权利要求5所述的基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制方法，其特征在于：步骤S6中，根据如下公式确定VSC鲁棒下垂控制的控制律：

说明书

基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及直流配电网领域，具体涉及一种基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制方法。

背景技术

[0002] 直流配电网对于各类新能源接入具有一定的灵活性和便捷性，其中，作为承担整流作用的重要元件VSC(电压源换流器)，其控制对于直流配电网的稳定运行至关重要。

[0003] 目前，在传统下垂控制方法下，各个VSC因各源换流器支路阻抗不同，难以按容量精确分配负载电流，而负荷分配不均则会对直流母线电压的稳定产生影响。传统下垂控制存在负载电流分配精度与直流母线电压稳定性相矛盾的不足。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制方法，能够保证公共直流母线电压稳定在额定电压值并具有一定的抗扰能力，同时确保各个源换流器按照自身容量等比例合理承担负荷。

[0005] 本发明的基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制方法，包括如下步骤：

[0006] S1.确定负载电流参考值；

[0007] S2.确定各源换流器支路的电流数学模型；

[0008] S3.根据各源换流器支路的电流数学模型，确定基于不确定与扰动估计的各源换流器支路的不确定动态模型；

[0009] S4.根据各源换流器支路的不确定动态模型，确定基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制的参考模型以及误差方程；

[0010] S5.根据各源换流器支路的不确定动态模型进行不确定干扰估计，得到不确定干扰估计结果；

[0011] S6.根据负载电流参考值、VSC鲁棒下垂控制的参考模型、VSC鲁棒下垂控制的误差方程以及不确定干扰估计结果，计算VSC鲁棒下垂控制的控制律。

[0012] 进一步，根据如下公式确定负载电流参考值：

[0013]

[0014] 其中，Iiref为各支路负载电流参考值；Iload为公共直流母线上所承担的负载总电流； 为直流配电网公共直流母线的电压设定值；Vbus为公共直流母线的实际电压值；ndi为正的下垂系数；nsi为容量比例系数，所述nsi为： Si为各源换流器的容量，为系统参与运行的所有源换流器容量之和，l为所有源换流器的个数，i以及k均为标识符号。

[0015] 进一步，根据如下公式确定各源换流器支路的电流数学模型：

[0016]

[0017] 其中，Idci为第i个换流器的输出电流； 为第i个换流器的输出电压参考值；Zo为支路总阻抗。

[0018] 进一步，所述步骤S3，具体包括：

[0019] S31.对各源换流器支路的电流数学模型进行改进，得到改进后的电流数学模型：

[0020]

[0021] 其中，L‑1为拉普拉斯逆变换符号；*为卷积符号；τi为第i个换流器的时间常数；s为复变量；Vdci为第i个换流器的输出电压；fi为第i个换流器的运行过程中的不确定与扰动；所述 △Zoi＝Zoi‑Zo0，Zoi为第i个换流器支路的总输出阻
抗，Zo0为第i个换流器支路的总输出阻抗的额定值；di为参数不准确和系统未知扰动。

[0022] S32.对改进后的电流数学模型进行推导，得到各源换流器支路的不确定动态模型：

[0023]

[0024] 其中， 为第i个换流器的输出电流的导数；σ为运行过程中的集总不确定与扰动，所述σ为：

[0025] 进一步，基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制的参考模型为：

[0026]

[0027] 其中， 为时刻t时参考模型状态变量的导数；xm(t)为时刻t时参考模型的状态变量；um(t)为时刻t时系统的参考指令；am和bm均为常系数，且am>0。

[0028] 进一步，步骤S4中，以支路负载电流Idci渐近跟踪负载电流参考值Iiref为控制目标，调整各源换流器支路的不确定动态模型中各参数值，使得各支路负载电流的跟踪误差ei满足基于不确定与扰动估计理论所需的动态方程 其中，所述跟踪误差ei为：ei＝Iiref‑Idci，所述动态方程 为： Ki为误差反馈增益系数，且Ki>0。

[0029] 进一步，步骤S5中，根据如下公式确定不确定干扰估计结果：

[0030]

[0031] 其中， 为第i个换流器的负载电流参考值导数；K为误差反馈增益系数；Gfi(s)为具有目标带宽的滤波器；

[0032] 进一步，步骤S6中，根据如下公式确定VSC鲁棒下垂控制的控制律：

[0033]

[0034] 本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制方法，通过下垂原理设定合理的负载电流参考值，并设计UDE控制律使得各源换流器的实际输出负载电流能够渐进跟踪负载电流参考值，进而使得电流分配不受各源换流器线路因电阻不同而受到影响，对直流配电网系统中出现的扰动具有一定的抗扰能力，提高了公共直流母线电压的鲁棒性。

附图说明

[0035] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

[0036] 图1为本发明的方法流程示意图；

[0037] 图2为本发明的基于UDE鲁棒下垂控制的原理示意图；

[0038] 图3为负载增加及光伏单元接入时传统下垂控制直流配电网运行情况下的公共直流母线电压；

[0039] 图4为负载增加及光伏单元接入时传统下垂控制直流配电网运行情况下的VSC负载电流；

[0040] 图5为负载增加及光伏单元接入时UDE鲁棒下垂控制直流配电网运行情况下的公共直流母线电压；

[0041] 图6为负载增加及光伏单元接入时UDE鲁棒下垂控制直流配电网运行情况下的VSC负载电流。

具体实施方式

[0042] 以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：

[0043] 本发明的基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制方法，包括如下步骤：

[0044] S1.确定负载电流参考值；

[0045] S2.确定各源换流器支路的电流数学模型；

[0046] S3.根据各源换流器支路的电流数学模型，确定基于不确定与扰动估计的各源换流器支路的不确定动态模型；

[0047] S4.根据各源换流器支路的不确定动态模型，确定基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制的参考模型以及误差方程；

[0048] S5.根据各源换流器支路的不确定动态模型进行不确定干扰估计，得到不确定干扰估计结果；

[0049] S6.根据负载电流参考值、VSC鲁棒下垂控制的参考模型、VSC鲁棒下垂控制的误差方程以及不确定干扰估计结果，计算VSC鲁棒下垂控制的控制律。

[0050] 本发明能够保证公共直流母线电压稳定在额定电压值并具有一定的抗扰能力，同时，确保各源换流器按照自身容量等比例合理承担负荷，改进了传统下垂控制在负载电流分配精度与公共直流母线电压稳定性相矛盾的不足。

[0051] 需要说明的是，为了更好地理解本发明的设计思路，现对本发明的改进部分进行说明：如图2所示，本发明的控制方法根据控制目标分为两个部分：一是负载电流参考值部分，根据下垂原理设定合理的负载电流参考值Iiref；二是UDE控制部分,设计UDE控制律使得各源换流器的实际输出负载电流Ii能够渐进跟踪第一部分所得的负载电流参考值Iiref，且提供VSC电压外环控制所需的参考量Vref，从而使得电流分配不受各源换流器线路因电阻Rline不同而受到影响，且对直流配电网系统中出现的扰动具有一定的抗扰能力，提高了公共直流母线电压的鲁棒性。其中，UDE是Uncertainty and Disturbance Estimator的简称，其中文为：不确定与扰动估计。

[0052] 本实施例中，根据下垂原理，确定负载电流参考值：

[0053]

[0054] 其中，Iiref为第i个换流器的负载电流参考值；Iload为公共直流母线上所承担的负载总电流； 为直流配电网公共直流母线的电压设定值，通常为780V；Vbus为公共直流母线的实际电压值；ndi为第i个换流器正的下垂系数，所述下垂系数根据各源换流器的容量比例进行设定；nsi为第i个换流器的容量比例系数，所述nsi为： Si为第i个换流器的的容量， 为系统参与运行的所有源换流器容量之和，l为所有源换流器的个数。

[0055] 本实施例中，根据电路的基尔霍夫定律，确定各源换流器支路的电流数学模型：

[0056]

[0057] 其中，Idci为第i个换流器的输出电流； 为第i个换流器的输出电压参考值；Zo为支路总阻抗。

[0058] 本实施例中，所述步骤S3，具体包括：

[0059] S31.由于带宽在测量后可能会变得很大，系统状态变量Idci需要通过一个额外的低通滤波器 则对各源换流器支路的电流数学模型进行改进，得到改进后的电流数学模型：

[0060]

[0061] 其中，L‑1为拉普拉斯逆变换符号；*为卷积符号；τi为第i个换流器的时间常数；s为复变量；Vdci为第i个换流器的输出电压；fi为第i个换流器的运行过程中的不确定与扰动；所述 △Zoi＝Zoi‑Zo0，Zoi为第i个换流器支路的总输出阻
抗，Zo0为第i个换流器支路的总输出阻抗的额定值；di为参数不准确和系统未知扰动。

[0062] S32.对改进后的电流数学模型进行推导，得到各源换流器支路电流的不确定动态模型：

[0063]

[0064] 其中， 为第i个换流器的输出电流的导数；σ为运行过程中的集总不确定与扰动，所述σ为：

[0065] 本实施例中，步骤S4中，基于不确定与扰动估计的VSC鲁棒下垂控制的参考模型为：

[0066]

[0067] 其中， 为时刻t时参考模型状态变量的导数；xm(t)为时刻t时参考模型的状态变量，即为支路负载电流Idcm，控制输入矢量u＝Vdcref；um(t)为时刻t时系统的参考指令，系统参考指令um＝Iiref，am和bm均为常系数，且am>0。

[0068] 所述参考模型可根据期望的闭环特性来设计：当系统的状态变量跟踪参考模型的状态变量时，系统也获得了期望的状态响应。即通过适当选取控制输入u(t)＝Iref(t)，Iref(t)即负载电流参考值，使参考模型的状态和系统的状态之间有一个稳定的误差，即状态误差e(t)＝xm(t)‑x(t)渐进收敛到0。

[0069] 以支路负载电流Idci渐近跟踪负载电流参考值Iiref为控制目标，调整各源换流器支路的不确定动态模型中各参数值，使得各支路负载电流的跟踪误差ei满足基于不确定与扰动估计理论所需的动态方程 其中，所述跟踪误差ei为：ei＝Iiref‑Idci，并将跟踪误差ei作为VSC鲁棒下垂控制的误差方程；所述动态方程 为： Ki为误差反馈增益系数，且Ki>0，

[0070] 本实施例中，步骤S5中，结合各源换流器支路的不确定动态模型、各支路负载电流的跟踪误差以及所述动态方程，Vdci需要满足式子：

[0071]

[0072] 根据换流器支路电流的不确定动态模型，在各源换流器支路的不确定动态模型中定义的集总不确定与扰动可表示为 由UDE的控制理论，所述σ可以被预测为：

[0073]

[0074] 用预测值 代替Vdci需要满足式子中的σ，可以得到不确定干扰估计结果：

[0075]

[0076] 其中， 为第i个换流器的负载电流参考值导数；K为误差反馈增益系数；Gfi(s)为根据实际工况确定的具有合适带宽的滤波器，时间常数τi为经验值，一般取为0.04s左右；

[0077] 本实施例中，步骤S6中，根据如下公式确定VSC鲁棒下垂控制的控制律：

[0078]

[0079] 其中，提供参考状态变量，也就是提供负载电流参考值Iiref，是UDE鲁棒下垂控制中第二部分的UDE控制律能正常工作的必要条件，而负载电流参考值Iiref由第一部分的负载电流参考值提供。

[0080] 为验证本发明的控制效果，将所提控制方法与传统下垂控制进行对比仿真分析，重点对比两种控制方法下，直流配电网公共直流母线电压的稳定性以及负载电流按源换流器容量精确分配的实现情况。系统总仿真时间为6s。在0.2s时刻，直流配电网所有控制信号接入系统中。在2s时刻直流配电网公共直流母线接入一个0.28MW(2Ω)的阻性负荷，在4s时刻光伏单元接入公共直流母线。

[0081] 负载增加及光伏单元接入时传统下垂控制直流配电网运行情况下，公共直流母线电压与VSC负载电流见附图3和附图4；

[0082] 负载增加及光伏单元接入时UDE鲁棒下垂控制直流配电网运行情况下，公共直流母线电压与VSC负载电流见附图5和附图6。

[0083] 由图3和图4中可明显看出，公共直流母线电压的运行水平在不同工况下未能基本维持在设定值780V。系统运行的0.2s至2s期间为空载，公共直流母线电压维持在778.6V；而由于负载效应和下垂效应，在2s至4s期间阻性负荷接入后，公共直流母线电压较之前出现了一定程度的下降，为743.3V。而当4s时刻接入光伏单元，公共直流母线电压再度回升到776.8V左右，并存在小幅度振荡。这说明公共直流母线电压的鲁棒性不佳，即传统下垂控制就公共直流母线电压稳定性方面而言，容易受到下垂效应的影响使得电压与设定值间出现静态误差，且对于新能源的接入缺乏良好的抗扰性。VSC1的输出的负载电流与VSC2、VSC3都不同，而VSC2、VSC3的负载电流变化情况却基本一致。这是因为在额定容量和控制参数一致的情况下，VSC1较之输出阻抗相同的VSC2、VSC3具有更大的输出阻抗，说明在考虑VSC不同的输出阻抗和不同线路阻抗的情况下，传统下垂控制未实现负载电流按源换流器容量比例精确分配。

[0084] 由图5和图6中可明显看出，UDE鲁棒下垂控制下的公共直流母线电压在仿真期间均大致维持在779.6V，稳态误差较小。虽然在2s和4s时刻，由于负荷和光伏单元的投切使得母线电压出现了一些小振荡，但与图4对比，相比于传统下垂控制作用时，公共直流母线电压对其额定值780V有更强的跟踪性。并且，公共直流母线电压在4s到6s光伏单元接入的时段，也表现出了比传统下垂控制更强的鲁棒性能。对于负载电流分配方面，在2s和4s时刻，三个相同容量VSC出口的负载电流在负荷和分布式能源接入的瞬间未实现精确分配，但在UDE控制律的作用下，使得负载电流渐进跟踪各支路负载电流参考值，并且在分布式能源接入的情况下也能保证较理想的控制效果。以2s时刻为例，由于VSC1输出阻抗与VSC2和VSC3不同，VSC1的电流值为0.221kA，而VSC2和VSC3都为0.280kA，但在3.2s时刻，三个VSC的输出电流能够渐进跟踪为0.256kA，达到了均流的效果。

[0085] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。