基于PID控制算法的直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制方法研究

，，，，，

(國(guó)網(wǎng)浙江嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033)

0 引言

直流微網(wǎng)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)輸出轉(zhuǎn)換和電力調(diào)度中發(fā)揮著重要作用，但由于直流微網(wǎng)輸出具有非線性的特點(diǎn)，導(dǎo)致直流微網(wǎng)的輸出容錯(cuò)性能較差[1]，需要進(jìn)行直流微網(wǎng)的容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)，提高直流微網(wǎng)的輸出穩(wěn)定性。研究直流微網(wǎng)的容錯(cuò)控制技術(shù)，在進(jìn)行直流微網(wǎng)的優(yōu)化組網(wǎng)設(shè)計(jì)和自適應(yīng)電力調(diào)度中發(fā)揮重要作用，相關(guān)的直流微網(wǎng)的控制技術(shù)研究受到人們的極大關(guān)注。

目前，對(duì)直流微網(wǎng)的控制技術(shù)是建立在直流微網(wǎng)的參數(shù)調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，建立直流微網(wǎng)的自適應(yīng)參數(shù)調(diào)度模型。

針對(duì)傳統(tǒng)方法[2-6]的相關(guān)問(wèn)題，在此提出基于PID控制算法的直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制方法。首先構(gòu)建直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制對(duì)象模型和約束參量模型，在不同電網(wǎng)強(qiáng)度下調(diào)節(jié)直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制參數(shù)，采用無(wú)功環(huán)比例積分控制方法進(jìn)行直流微網(wǎng)容錯(cuò)尋優(yōu)分析，結(jié)合模糊PID控制方法，實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)的優(yōu)化控制，最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，得出有效性結(jié)論。

1 直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制約束參量分析

1.1 直流微電網(wǎng)的輸出回路參數(shù)調(diào)節(jié)

為了實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制，需要首先構(gòu)建直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制對(duì)象模型，以輸出功率、直流微網(wǎng)的參考電壓、弱電網(wǎng)下系統(tǒng)慣性響應(yīng)特征等為約束參量，進(jìn)行控制對(duì)象模型分析[7]，采用慣量特性以及頻率響應(yīng)的前饋解耦調(diào)節(jié)方法，直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制對(duì)象模型表示為

(1)

(2)

(3)

根據(jù)微電網(wǎng)自身輸出阻抗特性[8]，進(jìn)行直流微電網(wǎng)的輸出回路參數(shù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方程為

(4)

根據(jù)上述公式，建立不同頻率系統(tǒng)間的直流微電網(wǎng)的多功率參數(shù)調(diào)節(jié)和耦合模型，進(jìn)行直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建，在不同電網(wǎng)強(qiáng)度進(jìn)行直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)。

1.2 微電網(wǎng)控制整體參數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié)

為了實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)的容錯(cuò)控制，以輸出功率、直流微網(wǎng)的參考電壓、弱電網(wǎng)下系統(tǒng)慣性響應(yīng)特征等為約束參量[9]，結(jié)合1.1節(jié)中的輸出回路參數(shù)，得到微電網(wǎng)整體控制對(duì)象模型為

(5)

UQ為直流微網(wǎng)的可控電壓源；UJ為直流微網(wǎng)的偏置電壓；UE為直流微網(wǎng)的高壓側(cè)電壓。直流微網(wǎng)容錯(cuò)性控制的模糊約束特征量為

Δv(l)=LQΔf(l)+v(u)LJf(l)+

LE[Δf(l)-Δf(l-1)]

(6)

LQ為并網(wǎng)點(diǎn)電壓的諧波特征分量；LJ為直流微網(wǎng)容錯(cuò)性控制的波動(dòng)頻率；LE為微分參數(shù)增加虛擬阻尼電阻。采用變結(jié)構(gòu)的PID控制器，進(jìn)行直流微網(wǎng)的容錯(cuò)控制過(guò)程中的輸出狀態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)[10]。輸出平均功率變化率f，計(jì)算直流微網(wǎng)的直流控制變量，模型表示為

(7)

G11,G12，G21和G22分別代表輸出功率、參考電壓、系統(tǒng)慣性響應(yīng)特征和容錯(cuò)特征。

由此得到具有隨機(jī)波動(dòng)性的微電網(wǎng)控制整體參數(shù)調(diào)節(jié)方程為

(8)

v為混合雙饋入直流輸入信號(hào)；x1為相位和角頻率的聯(lián)合控制信號(hào)；x2為輸入信號(hào)；h為直流微電網(wǎng)控制的步長(zhǎng)。采用外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的聯(lián)合參數(shù)調(diào)節(jié)方法，得到直流多功率增益調(diào)節(jié)因子為h0，當(dāng)h值不變且輸入電壓穩(wěn)定時(shí)，得到微電網(wǎng)控制的最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)行直流微網(wǎng)的多功率穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，在不同電網(wǎng)強(qiáng)度下進(jìn)行直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制的參數(shù)自整定性調(diào)節(jié)，采用無(wú)功環(huán)比例積分控制方法進(jìn)行直流微網(wǎng)容錯(cuò)學(xué)習(xí)[11]。

2 控制算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 直流微網(wǎng)容錯(cuò)學(xué)習(xí)

在上述構(gòu)建直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制對(duì)象模型和約束參量模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文提出基于PID控制算法的直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制方法，直流微電網(wǎng)的輸出功率和參考電壓的聯(lián)合參數(shù)優(yōu)化模型為

(9)

z1,z2為最大功率點(diǎn)因素；y為容錯(cuò)控制的輸出功率增益；z3為相關(guān)狀態(tài)變量；β1,β2,β3,δ,b為可調(diào)參數(shù)。采用混合雙饋入直流調(diào)節(jié)的方法，進(jìn)行微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的狀態(tài)調(diào)節(jié)，計(jì)算單個(gè)換流變?nèi)萘?，進(jìn)行直流微網(wǎng)的容錯(cuò)控制的模糊評(píng)價(jià)和自適應(yīng)調(diào)度[12]，得到交流系統(tǒng)參數(shù)學(xué)習(xí)模型為

(10)

α1,α2,δ1,δ2,b0均為修正后的直流微電網(wǎng)優(yōu)化控制系數(shù)；kP,kD分別為比例系數(shù)和微分系數(shù)。

對(duì)直流微網(wǎng)控制約束參量模型進(jìn)行誤差反饋跟蹤融合處理得到誤差控制項(xiàng)為：

Llx=(1-k2)L11

(11)

Lmx=k2L11

(12)

(13)

Llx，Lmx和Lnx分別表示誤差區(qū)饋跟蹤融合處理的3種誤差控制項(xiàng)；k2為控制系數(shù)；L11和L22分別表示直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制的誤差基數(shù)。采用自適應(yīng)PID學(xué)習(xí)方法，進(jìn)行微電網(wǎng)輸出控制的加權(quán)學(xué)習(xí)[13-14]，得到優(yōu)化的微電網(wǎng)輸出相位信息和阻抗信息為：

(14)

(15)

w0為優(yōu)化的微電網(wǎng)輸出相位信息；Cx為微電網(wǎng)輸出控制加權(quán)系數(shù)；Z0為阻抗；w0為直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制調(diào)節(jié)值。由此實(shí)現(xiàn)了利用直流微網(wǎng)容錯(cuò)學(xué)習(xí)得到的微電網(wǎng)輸出參數(shù)優(yōu)化，為變結(jié)構(gòu)PID優(yōu)化控制提供基礎(chǔ)。

2.2 變結(jié)構(gòu)PID控制優(yōu)化

在不同電網(wǎng)強(qiáng)度下進(jìn)行直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制的參數(shù)自整定性調(diào)節(jié)，采用無(wú)功環(huán)比例積分控制方法進(jìn)行直流微網(wǎng)容錯(cuò)調(diào)節(jié)，建立變結(jié)構(gòu)PID控制模型，如圖1所示。

圖1 變結(jié)構(gòu)PID控制結(jié)構(gòu)模型

net1,net2分別表示變結(jié)構(gòu)PID控制結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)繞組；u1，u2，u3分別表示三相繞組間電壓；x1表示變結(jié)構(gòu)PID控制結(jié)構(gòu)繞組感應(yīng)值。根據(jù)圖1所示的變結(jié)構(gòu)PID控制模型，進(jìn)行直流微網(wǎng)直流多功率參數(shù)調(diào)節(jié)和容錯(cuò)性控制[15]，得到優(yōu)化的控制約束參量為：

(16)

采用變結(jié)構(gòu)的模糊PID控制方法進(jìn)行直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制過(guò)程中的自適應(yīng)加權(quán)學(xué)習(xí)，加權(quán)系數(shù)滿足Gm(s)=G0(s)，tm=τ，誤差反饋調(diào)節(jié)函數(shù)為

H(s)=Gm(s)U(s)×Ipri

(17)

Gm(s)為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；U(s)為所受粘性阻尼系數(shù)。采用PID控制方法，得到直流微網(wǎng)數(shù)據(jù)輸入層滿足

(18)

Gc(s)為飽和補(bǔ)償系數(shù)；G0(s)為直流微網(wǎng)數(shù)據(jù)輸入層補(bǔ)償因子。PID控制下的輸出層為

(19)

Lm為PID控制下的輸出層基數(shù)。根據(jù)輸入層與輸出層之間的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)差異性特征，進(jìn)行容錯(cuò)性調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制中的應(yīng)用性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用MATLAB進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì)，設(shè)置直流微電網(wǎng)的混合多饋調(diào)節(jié)系數(shù)為0.25，端口電壓為300 V，無(wú)功環(huán)積分增益為0.02，額定直流電壓為1 200 V，鎖相電流環(huán)為1.25 A，PID神經(jīng)元個(gè)數(shù)為20，加權(quán)系數(shù)為0.29，比例積分參數(shù)為0.68，根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制仿真分析，得出微電網(wǎng)的輸出阻抗和電壓波德圖如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)的輸出阻抗和電壓波德圖

分析圖2得知，采用本文方法進(jìn)行直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制的輸出穩(wěn)定性較好，阻抗增益較大，設(shè)置電網(wǎng)等效電感0.25 mH，測(cè)試不同電網(wǎng)強(qiáng)度下的容錯(cuò)性能，得到收斂性曲線如圖3所示。

圖3 容錯(cuò)性能測(cè)試

分析圖3得知，采用本文方法進(jìn)行直流微網(wǎng)控制的容錯(cuò)性能較好，控制效果較好，具有很好的收斂性和魯棒性。將其與文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]方法對(duì)比，進(jìn)一步測(cè)試輸出增益，得到對(duì)比結(jié)果如表1所示。分析表1得知，通過(guò)對(duì)直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制，提高了輸出增益。

表1 輸出增益測(cè)試對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制效果不佳，質(zhì)量未達(dá)到直流微網(wǎng)容錯(cuò)要求的狀況，本文提出并設(shè)計(jì)基于PID控制算法的直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制方法，提高直流微網(wǎng)的輸出穩(wěn)定性，構(gòu)建直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制對(duì)象模型，根據(jù)微電網(wǎng)自身輸出阻抗特性，進(jìn)行直流微電網(wǎng)的輸出回路參數(shù)調(diào)節(jié)，構(gòu)建不同頻率系統(tǒng)間相互耦合器，以滿足實(shí)際需要。采用無(wú)功環(huán)比例積分控制方法進(jìn)行直流微網(wǎng)容錯(cuò)調(diào)節(jié)，建立變結(jié)構(gòu)PID控制模型，實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制改進(jìn)設(shè)計(jì)。研究得知，本文方法進(jìn)行直流微網(wǎng)控制的輸出增益較好，容錯(cuò)性較強(qiáng)，控制效果較好，符合直流微網(wǎng)容錯(cuò)要求，為實(shí)際的直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制提供有力的數(shù)據(jù)參考，具有重要的意義。在未來(lái)的研究中，可以就如何減少直流微網(wǎng)容錯(cuò)控制時(shí)間和降低容錯(cuò)率等方法進(jìn)行更加深入的研究。