智能电网中微电网电压控制新方法

中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013H-623智能电网中微电网电压控制新方法殷梓恒1，李鹏2，周磊3，王理强41新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)2新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)3国网山东省电力公司检修公司4国网武汉供电公司Email:[e-mail]摘要：本文在智能电网的背景下，建立了柴油发电机组的简单独立微电网模型，把独立微电网中调压系统H∞控制器的设计归结为混合灵敏度问题，合理地选择了加权函数，建立了柴油机广义对象的数学模型，通过求解Riccati方程，得到低阶次的控制器，并且对控制器的性能进行了检验，系统性能和系统鲁棒稳定性的要求均得到满足，成功解决了系统的干扰抑制、鲁棒性和控制器输出约束的H∞控制问题。关键词：微电网；柴油机；H-infinity控制理论；混合灵敏度问题；电压控制；鲁棒性NewVoltageControlMethodofMicrogridinSmartgridYinZiheng1,LiPeng1,ZhouLei1,WangLiqiang11StateKeyLaboratoryofAlternateElectricalPowerSystemwithRenewableEnergySources,NorthChinaElectricPowerUniversity,2StateKeyLaboratoryofAlternateElectricalPowerSystemwithRenewableEnergySources,NorthChinaElectricPowerUniversity3ShandongPowerMaintenanceCompanyofSGCC4WuhanPowerSupplyCompanyofSGCCEmail:[e-mail]:ThispaperestablishesasimplemathematicalmodelofdieselgeneratingsetinindependentmicrogridonthebackgroundofSmartgrid,andattributesthedesignofvoltagecontrolsystemH∞controllertothemixedsensitivityproblem.Aimingatthecontrolproblemofdieselengine,thispaperreasonablychoosestheweightingfunctions,establishesthegeneralizedobjectmathematicalmodelofdieselengine,andobtainsthelow-ordercontrollerbysolvingtheRiccatiequation.Accordingtothecontroller’sperformancetest,systemperformanceandrobuststabilityrequirementsaresatisfied,whichprovesthatbyusingthemathematicalmodelofthemixedsensitivityproblem,theH∞controlproblemsoftheinterferencesuppression,systemrobustnessandthecontrolleroutputconstraintsaresuccessfullysolved.Keywords:Microgrid;DieselEngine;H-infinityControlTheory;MixedSensitivityProblem;VoltageControl;Robustness1引言智能电网建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同能源发电形式的接入。而新能源与可再生能源的开发，是解决我国能源紧张、能源利用以及环境保护之间矛盾的必然选择。近年来，分布式发电（DG）获得了越来越多的重视与应用[1-3]，为了充分发挥分布式电源为电力系统及用户所带来的经济技术效益，进一步提高电力系统运行的可控性、灵活性和经济性，以及更好地满足电力用户对供电可靠性和电能质量的更高要求，微电网（Microgrid）概念应运而生，并很快成为国内外电气工程研究领域的最新前沿课题之一[4-10]。微电网有2种基本的运行方式，即并网运行和独立运行。本文主要研究独立运行下的微电网。当独立微电网电压过低时，可使电动机拖动能力下降，使带负载启动的电动机无法启动。电压过低还会导致电动机电流显著增大，使绕组温度上升，加速绝缘老化，在严重情况下，甚至使电动机烧毁。电压下降，会使电动机转速下降，将影响工业产品的产量和质量。电压过低时，照明设备的发光率和亮度也会大幅度下降。电压过高将使所有电气设备绝缘受损；使变压器、电动机等的铁心饱和程度加深，铁心损耗增大，温升增加，寿命缩短。可见，对独立微电网进行电压控制的重要性。控制系统的设计必须考虑存在不确定性的情况下，反馈控制器是否仍然能使控制系统稳定并满足所希望的要求。鉴于用H∞控制算法对所设计的系统对外部扰动和模型的不确定性中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013H-623具有较强的鲁棒性，本文将H∞控制理论应用于柴油机调压系统控制器的设计中，将柴油机调压系统的性能要求转化为标准H∞控制问题，以达到抑制负荷扰动引起的动态偏差，提高柴油机调压系统动态精度的目的。2建立模型及求解控制器2.1以柴油发电机为主分布式电源的简单独立微电网如图1所示，建立以柴油发电机为主分布式电源的简单独立微电网。微电源主要是柴油发电机、微型燃气轮机和风力发电。其中，柴油发电机为主分布式电源，微型燃气轮机和风力发电为备用分布式电源。储能装置包括蓄电池、超级电容器及飞轮等。负荷包括电阻性负荷和电抗性负荷。CIDG电力电子接口DG电力电子接口DG电力电子接口电力电子接口蓄电池、飞轮、超级电容器等储能装置电阻性负荷电抗性负荷图1.以柴油发电机为主分布电源的简单独立微电网结构图2.2物理量转化为数学模型微电网中基于H∞控制器的柴油机调压系统原理图如图2所示。微电网中柴油机调压系统的组成部分包括发电机、H∞控制器、交流励磁机、旋转整流器和检测装置。H-infinity控制器交流励磁机旋转整流器发电机负荷实际电压给定电压uEfd检测装置图2.采用H∞控制器的柴油机独立微电网调压系统原理图首先分别建立交流励磁机与旋转整流器和柴油发电机组的数学模型，然后在两者数学模型的基础上，通过选择加权函数，对H∞控制器进行设计。交流励磁机与旋转整流器：交流励磁机将H∞控制器的控制信号u，通过旋转整流器转换成励磁绕组电压fdE，其中记交流励磁机的时间常数为1T，增益为1K，那么其传递函数可表示为111()()()1fdEsKGsusTs==+（1）相应的微分方程为111d-dfdfdEEKutTT=+（2）柴油发电机组：本文分析的是凸极同步发电机，下面的分析中，假定同步发电机为理想电机，即：忽略铁芯磁饱和的影响，导磁系数为常数；电机磁路和绕组完全对称；忽略谐波磁动势、谐波磁通及相应的谐波磁动势的影响。以简化的派克方程为基础，经整理可得：0000'''(')''()'(')qdfdqqqdqqdddddqdqqqqqdddddqqdqqddqdETEEdtdEdETEEXXIcTdtdtdETEXXIdtEEXXIURIXIEURIXIE⎧=−⎪⎪⎪=−+−−+⎪⎪⎪⎨=−+−⎪⎪=+−⎪⎪=−++⎪=−−+⎪⎩（3）式中，2222220200,'2,,'''',,adldadddffadffadfDadDDddDDfffDaqaqqqdQQQQQadqadfqfffdddladqDfdldlffffffdaddfffDDDffdqDXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXEXXXEXIEXXXXXXEXXXXXUXEXTRRXXXTTR=−=−−+=−−=−=−Ψ==Ψ−−=Ψ+Ψ−−==−=='QQQdldlXRXXcXX⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪−⎪=⎪−⎩中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013H-623Rf——励磁绕组电阻，Xff——励磁绕组电抗，R——定子绕组电阻，Xl——定子绕组漏电抗，Xd——直轴同步电抗，Xq——交轴同步电抗，Xd/——直轴暂态电抗，Xd//——直轴次暂态电抗，Xq/——交轴次暂态电抗，Xad——直轴电枢反应电抗，Xaq——交轴电枢反应电抗，RD——直轴阻尼绕组电阻，XDD——直轴阻尼绕组电抗，RQ——交轴阻尼绕组电阻，XQQ——交轴阻尼绕组电抗，XfD——励磁绕组与直轴阻尼绕组互电抗，Efd——励磁绕组电压，Eq——交轴电势，Eq/——交轴暂态电势，Eq//——交轴次暂态电势，Ed//——直轴次暂态电势，Id——直轴电流，Iq——交轴电流，Ud——端电压直流分量，Uq——端电压交流分量。下面对式（3）进行变换，将其变成标准形式。经过整理变换可得：000''11'qddfdqdddddEXXEEIdtTTT−=−−（4）0000001'''1qfdqddddddcqdddddEccEEdtTTTXXcXcXEITTT⎛⎞=+−⎜⎟⎝⎠⎛⎞−−−−+⎜⎟⎝⎠（5）001qqddqqqXXdEEIdtTT−=−+（6）令qyE′=，把式（2）、（4）、（5）和（6）联立起来，可得到交流无刷励磁系统的方程12EAEBIBu=++（7）yCE=（8）式中，'fdqqdEEEE⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦E=，dqII⎡⎤=⎢⎥⎣⎦I，0000000100011001101000lddddddqTTTccTTTTT⎡⎤−⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎢⎥⎢⎥⎢⎥−−⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎢⎥⎢⎥⎣⎦A=，0100000'0''00dddddddddqqqXXTXXcXcXTTXXT⎡⎤⎢⎥−⎢⎥−⎢⎥⎢⎥−−=⎢⎥−−⎢⎥⎢⎥−⎢⎥⎢⎥⎣⎦B，2000llKT⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦B，[]0100C=。2.3实际受控对象模型转化为广义对象模型独立微电网中柴油机调压系统的动态结构图如图3所示，其中r，e，u，d和y分别是参考输入，电压误差，控制输入，外部干扰和系统输出；G为受控对象柴油机；K为H∞控制器。负荷被认为是加在柴油机调压系统输出端的外部干扰。在存在外部干扰和模型自身的不确定性情况下，H∞电压控制器的设计问题可以归结为混合灵敏度问题。图3.独立微电网中柴油机调压系统的动态结构图本设计利用“2—Riccati方程”的设计方法，求解H∞控制器。本文设计的同步发电机调压系统为交流无刷励磁系统，其主要参数如下：同步发电机的额定容量为1560kVA；额定电压为390V；额定电流为2310A；功率因数为0.8；额定转速为1500r/min；额定频率为50Hz；交流励磁机励磁电压为83V，励磁电流为7.7A；励磁机的增益Kl=8.9，时间常数Tl=2.2。同步发电机的电阻和电抗参数（标幺值）：定子绕组电阻R=0.011；定子绕组漏电抗Xl=0.093；直轴同步电抗Xd=2.053；交轴同步电抗Xq=1.003；直轴暂态电抗Xd/=0.213；直轴次暂态电抗Xd//=0.15；交轴次暂态电抗Xq//=0.168；直轴电枢反应电抗Xad=1.96；交轴电枢反应电抗Xaq=0.91；励磁绕中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013H-623组电阻Rf=0.00236；励磁绕组电抗Xff=2.09；直轴阻尼绕组电阻RD=0.0344；直轴阻尼绕组