基于PID控制算法的直流微網容錯控制方法研究

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(國網浙江嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033)

0 引言

直流微網系統在實現電網輸出轉換和電力調度中發揮著重要作用，但由于直流微網輸出具有非線性的特點，導致直流微網的輸出容錯性能較差[1]，需要進行直流微網的容錯控制設計，提高直流微網的輸出穩定性。研究直流微網的容錯控制技術，在進行直流微網的優化組網設計和自適應電力調度中發揮重要作用，相關的直流微網的控制技術研究受到人們的極大關注。

目前，對直流微網的控制技術是建立在直流微網的參數調節基礎上，建立直流微網的自適應參數調度模型。

針對傳統方法[2-6]的相關問題，在此提出基于PID控制算法的直流微網容錯控制方法。首先構建直流微網容錯控制對象模型和約束參量模型，在不同電網強度下調節直流微網容錯控制參數，采用無功環比例積分控制方法進行直流微網容錯尋優分析，結合模糊PID控制方法，實現直流微網的優化控制，最后進行仿真實驗分析，得出有效性結論。

1 直流微網容錯控制約束參量分析

1.1 直流微電網的輸出回路參數調節

為了實現直流微網容錯控制，需要首先構建直流微網容錯控制對象模型，以輸出功率、直流微網的參考電壓、弱電網下系統慣性響應特征等為約束參量，進行控制對象模型分析[7]，采用慣量特性以及頻率響應的前饋解耦調節方法，直流微網容錯控制對象模型表示為

(1)

(2)

(3)

根據微電網自身輸出阻抗特性[8]，進行直流微電網的輸出回路參數調節，調節方程為

(4)

根據上述公式，建立不同頻率系統間的直流微電網的多功率參數調節和耦合模型，進行直流微網容錯控制目標函數構建，在不同電網強度進行直流微網容錯控制設計。

1.2 微電網控制整體參數優化調節

為了實現直流微網的容錯控制，以輸出功率、直流微網的參考電壓、弱電網下系統慣性響應特征等為約束參量[9]，結合1.1節中的輸出回路參數，得到微電網整體控制對象模型為

(5)

UQ為直流微網的可控電壓源；UJ為直流微網的偏置電壓；UE為直流微網的高壓側電壓。直流微網容錯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為并網點電壓的諧波特征分量；LJ為直流微網容錯性控制的波動頻率；LE為微分參數增加虛擬阻尼電阻。采用變結構的PID控制器，進行直流微網的容錯控制過程中的輸出狀態參數調節[10]。輸出平均功率變化率f，計算直流微網的直流控制變量，模型表示為

(7)

G11,G12，G21和G22分別代表輸出功率、參考電壓、系統慣性響應特征和容錯特征。

由此得到具有隨機波動性的微電網控制整體參數調節方程為

(8)

v為混合雙饋入直流輸入信號；x1為相位和角頻率的聯合控制信號；x2為輸入信號；h為直流微電網控制的步長。采用外環和電流內環的聯合參數調節方法，得到直流多功率增益調節因子為h0，當h值不變且輸入電壓穩定時，得到微電網控制的最優參數，進行直流微網的多功率穩態調節，在不同電網強度下進行直流微網容錯控制的參數自整定性調節，采用無功環比例積分控制方法進行直流微網容錯學習[11]。

2 控制算法的優化設計

2.1 直流微網容錯學習

在上述構建直流微網容錯控制對象模型和約束參量模型的基礎上，進行控制算法的優化設計，本文提出基于PID控制算法的直流微網容錯控制方法，直流微電網的輸出功率和參考電壓的聯合參數優化模型為

(9)

z1,z2為最大功率點因素；y為容錯控制的輸出功率增益；z3為相關狀態變量；β1,β2,β3,δ,b為可調參數。采用混合雙饋入直流調節的方法，進行微電網控制系統的狀態調節，計算單個換流變容量，進行直流微網的容錯控制的模糊評價和自適應調度[12]，得到交流系統參數學習模型為

(10)

α1,α2,δ1,δ2,b0均為修正后的直流微電網優化控制系數；kP,kD分別為比例系數和微分系數。

對直流微網控制約束參量模型進行誤差反饋跟蹤融合處理得到誤差控制項為：

Llx=(1-k2)L11

(11)

Lmx=k2L11

(12)

(13)

Llx，Lmx和Lnx分別表示誤差區饋跟蹤融合處理的3種誤差控制項；k2為控制系數；L11和L22分別表示直流微網容錯控制的誤差基數。采用自適應PID學習方法，進行微電網輸出控制的加權學習[13-14]，得到優化的微電網輸出相位信息和阻抗信息為：

(14)

(15)

w0為優化的微電網輸出相位信息；Cx為微電網輸出控制加權系數；Z0為阻抗；w0為直流微網容錯控制調節值。由此實現了利用直流微網容錯學習得到的微電網輸出參數優化，為變結構PID優化控制提供基礎。

2.2 變結構PID控制優化

在不同電網強度下進行直流微網容錯控制的參數自整定性調節，采用無功環比例積分控制方法進行直流微網容錯調節，建立變結構PID控制模型，如圖1所示。

圖1 變結構PID控制結構模型

net1,net2分別表示變結構PID控制結構對應繞組；u1，u2，u3分別表示三相繞組間電壓；x1表示變結構PID控制結構繞組感應值。根據圖1所示的變結構PID控制模型，進行直流微網直流多功率參數調節和容錯性控制[15]，得到優化的控制約束參量為：

(16)

采用變結構的模糊PID控制方法進行直流微網容錯控制過程中的自適應加權學習，加權系數滿足Gm(s)=G0(s)，tm=τ，誤差反饋調節函數為

H(s)=Gm(s)U(s)×Ipri

(17)

Gm(s)為轉動慣量；U(s)為所受粘性阻尼系數。采用PID控制方法，得到直流微網數據輸入層滿足

(18)

Gc(s)為飽和補償系數；G0(s)為直流微網數據輸入層補償因子。PID控制下的輸出層為

(19)

Lm為PID控制下的輸出層基數。根據輸入層與輸出層之間的穩定運行狀態差異性特征，進行容錯性調節，實現直流微網容錯控制改進設計。

3 仿真實驗與結果分析

為了驗證本文方法在實現直流微網容錯控制中的應用性能，進行仿真實驗。實驗采用MATLAB進行控制算法設計，設置直流微電網的混合多饋調節系數為0.25，端口電壓為300 V，無功環積分增益為0.02，額定直流電壓為1 200 V，鎖相電流環為1.25 A，PID神經元個數為20，加權系數為0.29，比例積分參數為0.68，根據上述參數設定，進行直流微網容錯控制仿真分析，得出微電網的輸出阻抗和電壓波德圖如圖2所示。

圖2 微電網的輸出阻抗和電壓波德圖

分析圖2得知，采用本文方法進行直流微網容錯控制的輸出穩定性較好，阻抗增益較大，設置電網等效電感0.25 mH，測試不同電網強度下的容錯性能，得到收斂性曲線如圖3所示。

圖3 容錯性能測試

分析圖3得知，采用本文方法進行直流微網控制的容錯性能較好，控制效果較好，具有很好的收斂性和魯棒性。將其與文獻[5]和文獻[6]方法對比，進一步測試輸出增益，得到對比結果如表1所示。分析表1得知，通過對直流微網容錯控制，提高了輸出增益。

表1 輸出增益測試對比

4 結束語

針對直流微網容錯控制效果不佳，質量未達到直流微網容錯要求的狀況，本文提出并設計基于PID控制算法的直流微網容錯控制方法，提高直流微網的輸出穩定性，構建直流微網容錯控制對象模型，根據微電網自身輸出阻抗特性，進行直流微電網的輸出回路參數調節，構建不同頻率系統間相互耦合器，以滿足實際需要。采用無功環比例積分控制方法進行直流微網容錯調節，建立變結構PID控制模型，實現直流微網容錯控制改進設計。研究得知，本文方法進行直流微網控制的輸出增益較好，容錯性較強，控制效果較好，符合直流微網容錯要求，為實際的直流微網容錯控制提供有力的數據參考，具有重要的意義。在未來的研究中，可以就如何減少直流微網容錯控制時間和降低容錯率等方法進行更加深入的研究。