基于PCHD模型的光伏Z源并网逆变器无源控制

光伏Z源并网逆变这种非线性对象的一般控制方法是先线性化再线性控制,这种控制策略相对复杂且控制效果不佳。本文创新性地将基于PCHD模型的非线性无源控制引入到光伏Z源并网逆变系统中,它无需线性化处理,就可使系统具备良好的动、静态特性。首先分析了光伏Z源并网逆变器系统的原理,给出了系统的PCHD数学模型;再采用IDA方法设计出系统的无源控制器,并从理论上证明了系统的稳定性;最后Matlab/Simulink仿真软件和样机试验表明了,相比于采用传统的双闭环PID控制系统,采用本文无源控制系统的最大功率点跟踪更快,调节时间和上升时间更短,并网更有效,对外部参数变化响应更快,并网电流曲线更平滑,纹波更小,功率因数更高,鲁棒性更好。

基于PCHD模型的APF自适应模糊无源控制研究

为改进有源电力滤波器APF的电网电流补偿效果,基于APF的端口受控哈密顿(PCHD)数学模型,采用互联和阻尼配置无源控制(IDA-PBC)方法,设计了通过模糊控制实现注入阻尼在线调整的无源混合控制器。同时,为提高APF的直流侧电压控制能力,采用自适应模糊PI控制器,实现比例系数与积分系数的在线调整。利用所提出的控制器,可有效补偿电网电流,抑制负载电流谐波,使电网电流为近似正弦波;同时,获得更好的直流电压动静态性能。在Matlab/Simulink仿真平台上搭建APF自适应模糊无源混合控制器的仿真模型,对APF的谐波补偿性能进行了仿真实验研究。仿真结果表明所提出的自适应模糊无源混合控制策略是可行的。

电网不平衡下DFIG网侧变换器侧基于PCHD模型的无源控制

电网电压不平衡对双馈异步风力发电机(doubly fed induction generator,DFIG)系统的运行损害很大,传统的控制方法不能完全解决该问题。根据电压不平衡情况下DFIG的工作原理,提出了DFIG网侧变换器控制器基于端口受控的耗散哈密顿(port controlled Hamiltonian with dissipation,PCHD)模型的互联和阻尼分配无源性控制(interconnection and damping assignment passivity-based control,IDA-PBC)方法,详细推导出在正序和负序下基于PCHD模型的DFIG网侧变换器IDA-PBC控制器结构,并计算出在消除电压不平衡引起的网侧输出有功2次谐波、网侧输出无功2次谐波及网侧电流2次谐波3种不同控制目标下网侧电流的给定值,还结合机侧控制策略给出了网侧和机侧之间协调控制最优控制目标组合方式。软件仿真和硬件实验结果表明了所提出的控制方案的可行性和有效性。

基于PCHD模型的柔性直流输电鲁棒控制

基于柔性直流输电系统的数学模型与端口受控耗散哈密尔顿(PCHD)方程建立了换流器三相坐标系下的PCHD模型,并导出了换流器在dq旋转坐标系下的PCHD模型,证明了换流器的严格无源性。通过配置连接矩阵与阻尼矩阵构造期望能量函数,并确立为Lyapunov函数。通过注入阻尼矩阵消除了换流器直流侧等效电阻对系统的影响。由期望平衡点、状态变量及互联和阻尼分配无源性(IDA-PB)控制原理设计了换流器的IDA-PB控制器。在不同的运行条件下用PSCAD/EMTDC软件对控制系统进行了仿真,结果表明所提出的控制策略具有良好的动、静态性能和鲁棒性。

基于PCHD模型的振荡浮子式波浪发电系统的无源控制

波浪能是最复杂的一种可再生能源,这一特性导致其功率控制算法的实现性差。针对这一问题,文章基于一种全封闭的振荡浮子式波浪发电系统的动力学模型,构建波浪发电系统的端口受控的耗散哈密顿模型(PCHD),并设计无源性控制器,为改善系统动态响应在无源性控制器中注入阻尼。仿真结果表明,在波浪变化条件下,该系统能实现最佳状态的快速跟踪,且有良好的动态特性。通过采用PCHD模型,使控制器设计过程具有结构性的特点,物理意义清晰,设计简单。

基于PCHD模型的三相光伏LCL并网逆变器自适应模糊无源控制研究

针对传统PI控制下三相并网逆变器的鲁棒性较差的问题,文中首先建立了基于LCL滤波器的三相两电平变流器的端口受控哈密尔顿(PCHD)数学模型,根据建立的PCHD模型采用互联和阻尼配置(IDA-PBC)的无源控制方法,设计了无源控制器,通过李亚普洛夫第二方法验证了系统的稳定性,并且为了加强对直流侧电压的控制能力,采用了模糊控制。最后,在Matlab/Simulink中搭建了基于模糊控制的无源仿真模型,验证了该控制策略的鲁棒性和有效性。

基于受控耗散Hamiltonian系统模型的光伏准Z源T型三电平并网逆变器控制策略

基于端口受控耗散哈密顿系统(PCHD)模型的无源控制策略无需对受控对象进行线性化处理,它从能量成型与注入阻尼方面讨论受控对象的稳定性,简化了控制系统的结构。首先,利用状态空间法推导出准Z源T型三电平逆变器数学模型;其次,结合无源PCHD模型的控制规律选取能量函数与注入阻尼,并进行控制系统的设计。该控制策略不但使系统具有优良的动、静特性,且逆变器输出电流谐波低、经济性高;最后,仿真和硬件实验验证了基于PCHD模型的无源控制策略的正确性和有效性。

基于PCHD模型的LCL型APF自适应模糊无源控制策略

有源电力滤波器(APF)是治理电力系统中谐波的重要手段。为了改善有源电力滤波器补偿电网侧电流的效果,提出了一种基于端口受控耗散哈密尔顿(PCHD)模型的APF的无源控制方法。首先,建立了LCL型APF系统的PCHD模型,并采用了易于实现的互联阻尼配置无源控制(IDA-PBC)方法设计无源控制器,验证了所设计控制器的稳定性。同时对直流侧电压采用模糊控制,以期提高稳定电压的能力。此外,采用了正弦幅值积分器(SAI)来获得谐波电流的基波成分,用来避免使用低通滤波器检测谐波带来的延迟。在Matlab/Simulink中构建系统的无源控制方法,仿真结果表明了所提控制方法的可行性与有效性。

电容中点式三相四线制SAPF基于PCHD模型的无源控制策略

针对三相三线制并联型有源滤波器（SAPF）在电网不平衡时需对正、负、零序分量进行分别控制等缺点,选择电容中点式三相四线制SAPF为研究对象,同时利用其无源性提出一种基于端口受控耗散哈密顿（PCHD）模型的非线性无源控制策略。首先,根据被控对象在dq0坐标系下的数学模型得到其PCHD数学模型;然后,采用互联和阻尼分配（IDA）法设计了SAPF的无源控制器;最后,根据直流侧的总电压和差压对补偿电流有所影响,设计了基于PI控制的SAPF外环电压控制器。仿真及实验结果表明,所设计的基于PCHD模型的电容中点式三相四线制SAPF能够实现电网平衡/不平衡情况下的电流低谐波、直流侧电压稳定及中点电压平衡;同时,与传统的双环PI控制策略相比,具有较好的补偿效果和响应速度。

基于Dual-PCHD模型的电网不平衡下MMC无源性控制方法

针对模块化多电平变换器(MMC)在电网发生单相短路时的稳定运行需求,提出基于双端口受控耗散哈密顿系统(Dual-PCHD)模型的无源性控制方法。设计交互矩阵,建立电网不平衡情形下MMC的DualPCHD模型,使并网正序电流与负序电流子系统具有同步渐进跟踪特性;从能量角度出发,设计全局能量函数,求取无源性控制律,实现负序电流快速抑制与正序电流期望轨迹快速跟踪目标同步达成的同时,确保系统的全局渐进稳定性。基于Matlab/Simulink的仿真结果表明:所提无源性控制方法在电网发生单相短路与有功功率变化、系统参数摄动同时发生时具有优动态性能、宽稳定域和强鲁棒性。

基于虚拟同步发电机和无源性控制的DFIG机侧控制策略

传统的双馈感应发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)矢量控制因其惯性与电网频率波动解耦而不能为电网提供额外的有功功率支持,为此在DFIG转子侧变流器控制中引入一种改进的虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制策略。针对传统VSG控制存在的频率偏差问题,通过在有功下垂环节中加入一个Washout滤波器,实现了在不需要增加额外2次控制回路情况下就能使频率保持在工频50 Hz附近。同时,为解决传统VSG中电压电流双环控制中内环电流PI控制存在的动态响应有限、鲁棒性不强等问题,首次在内环电流控制中引入了基于端口受控的耗散哈密顿(port controlled Hamiltonian with dissipation,PCHD)模型的无源性控制(passivity-based control,PBC)方法,设计了转子侧变流器的无源性控制器。最后,搭建了DFIG仿真系统进行实验验证,结果表明了本文所提控制策略的有效性和优越性。

基于耗散哈密顿模型的电容电流反馈并网控制策略

采用LCL型滤波器的并网逆变器具有抑制高频电流谐波的能力,然而LCL型滤波器的频率响应存在一个谐振尖峰。基于电容电流反馈的无源或者有源阻尼方法可在一定程度上抑制谐振尖峰,但是其没有详细考虑逆变器输出电能质量和抗参数扰动性能。因此,本文将电容电流反馈方法与耗散哈密顿模型的无源控制策略相结合,其不仅能够有效抑制谐振尖峰,而且可以提高系统的鲁棒性、动静态性能、以及电能质量。基于Matlab/Simulink仿真实验验证了本文所提方法的有效性。

储能型MMC-HDT的无源控制及模式切换控制策略

针对智能煤矿建设的需求和煤矿井下电网存在的问题,提出了一种含有储能模块的储能型模块化多电平混合式配电变压器(MMC-HDT)。首先,对提出的储能型MMC-HDT进行建模,并考虑电网故障和储能荷电状态(SOC)给出四种工作运行模式。其次,根据MMC-HDT交流侧的端口受控耗散哈密顿模型(PCHD)设计无源控制器。最后,设计四种工作运行模式的切换控制策略。实验结果表明,所提控制策略在储能型MMC-HDT中,馈网电流稳态总谐波畸变率进一步降低,有效限制电压故障时馈网电流无限制突增;在任何电网电压故障状态下,均可以实现负荷电压保持在额定值处,可以实现不间断供电的功能,提高了配电系统的可靠性。

电压不平衡下双馈感应发电机机侧变换器无源控制方法

电网电压不平衡时对双馈感应发电机(DFIG)系统的正常运行有很大损害,传统的控制方法不能完全解决此问题。根据电压不平衡情况下DFIG的工作原理,文中提出了基于端口受控的耗散哈密顿(PCHD)模型的互联和阻尼分配的无源控制(IDA-PBC)方法进行DFIG机侧变换器的控制器设计,详细推导出DFIG机侧变换器分别在正序和负序下基于PCHD模型的IDA-PBC控制器,并计算出了在消除电压不平衡引起的定子输出功率的2次谐波、转子电流的2次谐波以及定子电流的2次谐波等3种不同的控制目标下对应的定子电流和转子电流的给定值。仿真和实验结果表明,所提出的控制方案能有效地抑制电网电压不平衡故障时定子及转子的不平衡电流和降低定子输出功率的波动,且优于传统的比例—积分—微分控制方法。

双级矩阵变换器驱动永磁同步电机的混合非线性控制系统

针对传统PWM变换器及PID控制器存在的很多缺点,提出一种基于双级矩阵变换器(TSMC)驱动永磁同步电机(PMSM)的混合非线性控制方案。首先,针对系统易受电网和负载扰动的问题,建立TSMC-PMSM系统整流器端口的受控耗散哈密顿模型(PCHD),证明其严格的无源性,设计TSMC-PMSM系统整流器端口的基于互联与阻尼分配(IDA)的无源性控制(PBC)器,并理论证明该闭环系统的稳定性;另外,针对转速外环PID控制器自我调节能力差的问题,利用自抗扰控制器(ADRC)非线性光滑反馈的特点,设计变积分系数PI-ADR非线性控制器。仿真和样机实验结果都表明,采用混合非线性控制的TSMC-PMSM系统具有良好的网侧性能、很强的抗扰动能力和很好的动、静态性能。

考虑锁相环的双馈风力发电机组无源控制

为了降低大规模变速风力发电机接入电网的运行风险,需要研究风力发电机组的控制策略,增加风电对系统功率振荡的抑制能力。该文通过锁相环实现dq坐标系定向以及输出参考点频率值,考虑锁相环的动态作用建立风力发电机组和电网频率之间的端口受控耗散哈密尔顿(PCHD)模型,根据系统平衡方程求得双馈风力发电机组(DFIG)各个状态变量的期望平衡点,然后采用互联和阻尼分配无源控制(IDA-PBC)方法获得转子电压反馈控制律,从而得到DFIG机侧换流器控制和附加阻尼控制器,以改善系统的低频振荡特性,最后以单机无穷大系统和IEEE4机2区域系统为例验证本文所提方法的有效性。

直驱风电系统双PWM变流器非线性控制策略

在直驱风电系统中,为了提高变流器的性能,该文提出了外环采用PI控制,内环采用无源控制的混合控制策略。根据主电路拓扑结构分别建立了在dq坐标系下的欧格-拉格朗日EL(Euler-Lagrange)模型和端口受控耗散哈密顿PCHD(port control Hamiltonian with dissipation)模型。基于EL模型,采用了注入阻尼的方法,得到无源控制律;而基于PCHD模型,采用能量成形的方法,利用IDA-PBC(injecting dampingpassivity-based contro)控制算法设计无源控制器。仿真结果表明机侧变流器能够实现对转速的控制;网侧变流器实现直流电压跟踪控制、单位功率因数并网。实验验证了所提控制策略的可行性。

柔性直流输电系统含有积分稳定环节的无源控制系统设计

电压源换流器型高压直流(VSC-HVDC)输电系统具有非线性、强耦合、多输入等特点,其控制系统往往难以在消除稳态误差的同时,依然保持全局渐近稳定。基于VSC-HVDC输电系统的端口受控耗散哈密顿(PCHD)模型,提出了一类具有积分稳定环节的互联和阻尼配置的无源(IDAPB)控制方案的设计方法,并依据控制原理给出了3种具有典型性的控制方案及其控制参数的取值范围。对于其中性能最优的指数稳定型IDA-PB控制方案,利用积分稳定性定理,在其控制器中加入积分稳定环节,使得系统在受到大干扰或是系统参数无法精确预知时,具有良好的稳态、暂态特性的同时,依然保持全局渐近稳定。控制系统的设计过程中,无需求解偏微分方程,大大简化了计算量。PSCAD/EMTDC环境下的仿真表明,与传统比例—积分(PI)控制相比,IDA-PB控制策略能显著提高系统稳态、暂态性能,响应速度快、跟踪精度高,且对参数变化不敏感,有优良的鲁棒性及全局稳定性。

基于PCH理论的无速度传感器电机调速控制

从能量角度入手,利用能量成型理论实现对交流异步电机的高性能控制,端口受控哈密顿控制理论就是其中的一种,其在电机控制中的应用可以取代传统矢量控制的思想。先建立其交流异步电机的耗散哈密顿数学模型,再以端口受控哈密顿控制理论实现电机调速控制。为了转速反馈的准确性,加入了转速估算环节,充分利用被控系统已有的结构,直接比较给定的电磁转矩和估算的电磁转矩,运用PI闭环控制构造出转速信号。在Simulink中搭建仿真模型进行实验,仿真结果表明,此控制方法对交流异步电机速度控制具有较好的静、动态性能和鲁棒性。

永磁同步电机调速系统的非线性鲁棒滑模控制

针对表面式永磁同步电机(SPMSM)调速系统中存在电机内部参数摄动和外部负载扰动等不确定因素时影响调速系统鲁棒性的问题,提出带扩张状态观测器(ESO)滑模速度控制的永磁同步电机调速系统H∞鲁棒整形电流控制算法。首先,基于端口受控耗散哈密顿(PCHD)标称数学模型设计了整形控制器,在此基础上考虑参数摄动和负载扰动构建了H∞鲁棒电流控制器,由此得到了H∞鲁棒整形电流控制器,改善了电流控制的动态品质和鲁棒性;然后,采用滑模控制(SMC)设计了速度控制器,利用扩张状态观测器估计综合干扰项d^,从而得到q轴期望的电流iq^*,间接改善滑模固有抖振问题的同时进一步增强了调速系统中存在综合干扰因素时的鲁棒性。最后,通过仿真和半实物仿真实验验证了所提出控制策略的有效性和可行性。