虚拟编组下基于跟驰模型的列车群运行控制方法研究

高速铁路移动闭塞方式下运输能力与运输需求之间依然存在缺口,虚拟编组是未来提高运输能力的新方式。本文基于虚拟编组概念,受道路交通跟驰模型启发,引入列车动力学和运动学理论,根据相邻两列车之间的速度和距离关系,提出一种新的追踪列车加速度调整策略,建立相应的列车群虚拟编组加速度控制模型,当实现列车群的虚拟编组时,列车群中所有列车的速度相等,任意相邻列车之间的间距等于期望间距,同时,能够确保列车安全与乘客舒适度。本文以CRH380A动车组为背景验证模型,算例仿真结果表明,本文提出的加速度调整策略能有效实现列车群的虚拟编组;与移动闭塞方式相比,采取虚拟编组方式达到列车协同的时间减少9.7%,列车间距缩小10.1%,效率更高;将列车群视为一个整体时,实现虚拟编组的时间比将整个列车群分为多组时更短。

基于新型虚拟矢量调制方法的IPMSM模型预测电流控制方法

模型预测控制方法已经被广泛应用于内置式永磁同步电机(IPMSM)的控制之中,传统模型预测控制方法由于候选电压矢量数量有限,在电机运行过程中会产生较大的电流和转矩谐波。为了增加候选电压矢量数量,提出了构建虚拟电压矢量的方法。但是在应用虚拟矢量调制方法时,系统计算的负担会随虚拟矢量数量的增加而增加,因此控制效果会受到系统计算能力的限制。针对此问题,该文提出了一种新型的虚拟电压矢量调制方法,首先将电压扇区进行细分来增加虚拟电压矢量的数量,然后通过对指令电压矢量坐标进行标幺化处理的方法求得其角度,最后从基础和虚拟电压矢量之中由角度搜索选出最优电压矢量。在该方法中,系统的计算量大小与虚拟电压矢量的数量无关,因此可以在不增加系统计算负担的情况下提升系统的控制性能。实验结果表明,与虚拟矢量数量受到限制的虚拟矢量预测控制方法相比,该方法有效减少了三相电流谐波含量,并且减少了控制算法的执行时间。

含光储充的配网虚拟电厂二次调频随机模型预测控制策略

含光储充的主动配电网作为一种灵活的新型调节资源,可通过聚合其内部的多类分布式电源组成配网虚拟电厂(distribution-level virtual power plant,DVPP)进而整体参与系统二次调频,具有广阔的发展前景。但实际配电网内部情况复杂,存在储能配置有限导致可调容量不足、光伏短时出力难以预测导致控制不精确、功率分配不合理导致内部电压越限的问题,传统虚拟电厂调频策略难以适用。针对上述问题,提出了一种基于随机模型预测控制(stochastic model predictive control,SMPC)的DVPP二次调频策略,通过聚合模型设计、光伏不确定功率的场景树模型搭建、SMPC策略设计的方式实现了分布式电源出力扰动情况下DVPP快速、准确响应自动发电控制(automatic generation control,AGC)指令的目标,并有效降低了功率调节对系统内部电压的影响,为DVPP参与系统二次调频提供了理论基础。

基于改进模型预测的并网变换器自适应虚拟惯性控制策略研究

针对低惯性直流微电网中母线电压易受网内功率波动影响的问题,提出了一种基于改进模型预测的直流微电网并网变换器自适应虚拟惯性控制策略。首先,电压外环引入自适应类虚拟同步发电机控制,通过将控制方程中的虚拟惯性参数与电压变化率结合起来,实现虚拟惯性参数的灵活可调。其次,在电流内环引入模型预测控制,并采用改进延时补偿算法,实现对给定电流值快速跟踪的同时改善控制系统的动态特性。最后,基于Matlab/Simulink建立了系统模型进行仿真。结果表明,与传统的虚拟惯性控制策略相比较,所提控制策略下的直流母线电压波动幅值更小且动态性能更佳,可以有效提高直流母线电压的稳定性和直流微电网的惯性。

基于虚拟模型的四足机器人控制研究

为了提高四足机器人运动时的稳定性,本文在传统虚拟模型控制的基础上,利用四足机器人整体的三维受力模型和速度估计方法完成支撑腿的虚拟力的计算。通过雅可比矩阵建立足端虚拟力和关节力的映射关系,实时规划期望摆动腿的运动轨迹,并利用虚拟构件将摆动腿的足端坐标与期望的摆动轨迹连接起来,通过两者的误差实现对摆动腿的虚拟模型控制。在ROS中的Gazebo建立四足机器人的动态仿真模型并进行仿真,并完成了四足机器人实体实验,结果表明该控制方法能够有效的控制四足机器人稳定运动。

仿生六足机器人虚拟模型控制

论文针对仿生六足机器人运动问题,提出了一种基于虚拟模型控制(Virtual Model Control,VMC)的简单直观的运动控制方法。在VMC框架中,一系列虚拟原件安装在机器人关节上,以产生相应的虚拟力。将机器人腿的运动模式分为站立相和摆动相两个阶段。站立相中,VMC被用于控制机器人躯干姿态,包括躯干高度和欧拉角;摆动相中,VMC为摆动腿提供控制,使其遵循期望的轨迹。通过状态机实现机器人腿状态切换和运动配合。仿真结果表明,设计的控制器可以实现六足机器人三角步态稳定行走。

考虑虚拟控制参数调节的风储联合调频优化模型预测控制

为提高大规模风电并网后电网频率稳定性,降低风储系统调频成本,提出考虑虚拟控制参数调节的优化模型预测控制策略。首先,计及储能系统对电网惯性水平与阻尼能力的作用,引入双曲正切函数自适应调节储能系统虚拟控制参数,满足不同时段的调频需求。然后,基于风储系统状态方程建立预测模型,以频率偏差与调频成本最小为控制目标,设计自适应模型预测控制策略。最后,搭建仿真模型,在阶跃和连续负荷扰动工况下对不同控制策略的效果进行对比分析。结果表明,所提控制策略能够有效改善电网调频效果,优化储能系统和风电机组的出力,具有更优的协同控制性能。

并网变换器低复杂度多步递进优化虚拟矢量模型预测控制策略

为解决并网变换器有限控制集模型预测控制输出电流纹波较大的问题,提出一种并网变换器低复杂度多步递进优化虚拟矢量模型预测控制策略。首先,该方法通过构建各扇区的电压误差方程,对各扇区电压矢量误差进行量化评估。其次,在各扇区电压误差最大的位置上设计虚拟矢量,以减小电流控制误差。然后,通过所提的多步递进优化方法进一步量化分析含有虚拟矢量的各扇区电压矢量误差,并在电压误差最大的位置设计虚拟矢量,进一步减小控制误差。使用该方法进行多次优化,并确定最终优化虚拟矢量,有效减小了输出电流纹波。最后,为降低计算负担设计了扇区判断简化搜索方案,将每个大扇区分为6个小扇区,从而减少候选电压矢量个数,提高了系统的动态响应速度。通过对比实验验证了所提方法的有效性。

不平衡电网电压下虚拟同步发电机模型预测控制

虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制算法,可为电网提供惯性并参与电压及频率调节,但在电网电压出现不平衡时会导致并网电流不平衡及有功、无功功率波动的问题,严重影响了并网电能质量。针对此问题,提出了一种不平衡电网下VSG模型预测控制策略,通过基于快速电压矢量选择的模型预测控制策略来控制所重构的正序及负序电流分量,达到有功功率恒定、无功功率恒定及电流平衡的控制目标。此外还引入负序电流调节系数,进而实现这三个目标的协调控制。

NPC三电平虚拟同步机桥臂故障容错模型预测控制

虚拟同步机VSG(virtual synchronous generator)通过模拟同步机特性为新能源并网提供惯性和阻尼。然而,电力电子开关器件高频开关过程中可能会发生断路故障,导致输出电流波形严重畸变,影响电网安全稳定运行。针对中点箝位型NPC(neutral point clamped)三电平VSG桥臂故障问题,提出一种中点电压均衡的VSG容错模型预测控制策略。分析NPC三电平VSG单相桥臂故障后运行机理,在开关器件故障后利用直流侧电容组成虚拟桥臂,重构为VSG桥臂故障容错结构。建立故障情况下预测电流模型,重构故障状态空间电压矢量,将直流侧中点电容电压引入容错模型代价函数,减小电容电压波动,实现VSG桥臂故障容错运行。实验结果表明,在开关器件发生故障后,NPC三电平VSG能容错连续运行,验证了所提模型预测容错控制策略的有效性,提高了VSG运行可靠性。

基于光储虚拟同步机的模型预测双环协同优化控制策略

随着新能源和电力电子设备的渗透率不断提高,引起新型电力系统惯量不足和稳定性下降等问题。以光储一体机并网系统为例,提出一种基于虚拟同步机(virtual synchronous generator, VSG)的模型预测双环协同优化控制(model prediction double-loop co-optimisation, MPDC)策略。在功率外环方面,根据同步发电机转子频率特性,采用模型预测控制对不同阶段的VSG参考功率进行修正。在内环方面,选取有限集三矢量模型预测电流控制(finite control set-three vector-model predictive current control, FCS-TV-MPCC)实现准确跟踪外环输出参考电压。仿真与实验结果表明,所提控制策略能提高频率跟踪精度,且与传统控制方法相比,在负载发生突变情况下可减小系统频率超调,同时降低频率变化率,从而改善有功调频特性。

基于虚拟电压矢量的永磁同步电机模型预测转矩控制

针对传统永磁同步电机有限控制集模型预测转矩控制(FCS-MPTC)中的电流波动较大,提出了一种基于虚拟电压矢量的永磁同步电机模型预测转矩控制(VFCS-MPTC),该策略扩展了候选电压矢量控制集。与传统的FCS-MPTC相比,VFCS-MPTC在保持恒定开关频率的同时,较大降低了转矩纹波和电流谐波。采用了一种新的电压矢量优化选取策略,将候选电压矢量的数量从38个减少到9个,VFCS-MPTC在不影响控制性能的情况下显著降低了计算负担。通过仿真对比验证了VFCS-MPTC的有效性。

基于虚拟同步发电机的孤岛微电网逆变器模型预测控制策略

虚拟同步发电机技术可应对新能源发电的间歇性和波动性,在电力领域中受到了广泛的关注和应用。针对孤岛微电网逆变器采用虚拟同步发电机控制策略时,底层控制采用电压电流串级比例积分控制结构,存在控制参数整定烦琐、结构复杂、动态响应能力弱等问题,提出一种基于虚拟同步发电机的构网型孤岛微电网逆变器模型预测电压控制策略。首先,分析了虚拟同步发电机的控制策略,由此生成参考电压幅值与相位;其次,根据逆变器的开关函数构建了三相逆变器输出电压空间矢量模型,在此基础上推导及优化了逆变器输出电压离散预测函数模型,并由价值函数以参考值与预测值误差最小化为原则筛选出最佳开关序列作用于逆变器;最后利用MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型,仿真分析显示,采用VSG-MPVC策略可提高孤岛微电网系统的稳定性和动态响应能力,改善系统暂态过程。

风电虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究

风电机组采用虚拟惯量参与电网调频时,其本质是带延时的快速功率响应,但虚拟惯量延时对频率控制的非线性影响尚不清晰。同时,虚拟惯量存在测频精度要求高、延时大、频率微分环节放大量测误差等固有缺陷。为此,提出了风电机组虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究的思路。首先,通过将风电机组虚拟惯量和下垂控制的延时特性近似等效为一阶惯性环节,建立风电调频使用虚拟惯量和下垂控制的系统频率响应模型;其次,基于劳斯近似法对高阶模型进行降阶解析,求得系统频率最低点的解析表达式;然后,解析求解风电调频仅使用下垂控制的系统频率响应模型,并在频率最低点指标下给出与虚拟惯量和下垂控制相同调频效果的下垂控制系数设定方法。进一步,在设定下垂控制参数下,对比两种控制方式下的最大频率变化率、稳态频率等关键指标关系,得出结论:适当改变下垂系数可替代带延时虚拟惯量,并能取得比虚拟惯量和下垂控制更佳的调频效果。最后,建立仿真模型,并从系统频率响应动态、调频能量需求、风电机组响应功率等方面验证了分析的正确性。

基于简化有限集模型预测电流控制的五相PMSM统一容错控制

在五相永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor,PMSM)中,有限集模型预测容错控制(finite control set model predictive fault tolerant control,FCS-MPFTC)存在计算量大、电流谐波含量高等问题。因此,该文提出一种简化FCS-MPFTC来实现相开路和短路故障情况下的统一容错控制。首先,将模型预测电流控制的电流代价函数等效转化为电压代价函数,并采用无差拍方法通过电流模型计算出参考电压。然后,基于抑制三次谐波电流为0的原则合成虚拟电压矢量(virtual voltage vector,V^(3));通过重构V^(3)和扇区,以直接获得参考电压矢量对应的最优电压矢量。最后,对传统和简化FCS-MPFTC在开路和短路故障下进行对比实验。结果表明,所提策略能够有效减小故障后计算量、转矩脉动以及电流谐波含量。

基于自适应虚拟电阻的低压微电网有功均分下垂控制策略

由于低压微电网中各分布式电源的线路阻抗不匹配,传统的下垂控制策略难以按照下垂系数合理分配有功功率。为此,提出一种无需通信的自适应虚拟电阻下垂控制方法。通过将微电网中每个分布式发电机(DG)单元输出的有功功率和电压传送给自适应虚拟电阻控制器中,在保证电压和频率稳定控制的前提下实现功率按逆变器容量比例进行精确分配。论文对改进方法的微电网逆变器进行小信号稳定性分析,以优化控制器有关控制参数。仿真和实验结果验证了所提控制方法的有效性。

基于模型预测控制的直流微电网虚拟惯性优化方法

为了提高直流电压的稳定性、动态特性以及安全性,提出一种基于预测模型控制的直流微电网虚拟惯性滚动优化方法。首先,建立含虚拟惯性控制单元的直流微电网线性离散模型,用以预测系统输出量的未来趋势。其次,设计模型预测控制器:以直流电压跟踪误差、虚拟惯性系数两者的加权二次方和最小为目标,希望直流电压维持稳定并且惯性响应的强度不要太大;以直流电压及其变化率限制为约束,防止因动态电压超过安全阈值而导致切机、切负荷甚至系统崩溃问题;在每个采样时刻,求解各控制单元的虚拟惯性系数并将其输出,从而实现虚拟惯性的优化控制。同时,通过控制性能分析,给出控制器主要参数的选取原则。最后,通过负荷突变、风速随机波动等典型工况下的硬件在环测试,验证了所提方法的可行性和有效性。

变流器虚拟惯量和阻尼协同自适应控制策略

针对变流器传统虚拟同步发电机控制(virtual synchronous generator,VSG)在暂态过程中出现的频率超调等问题,提出一种虚拟惯量和阻尼系数协同自适应控制策略。首先,对VSG变流器系统进行数学建模;然后,通过分析VSG有功和角频率暂态特性曲线,提出一种虚拟惯量和阻尼系数协同自适应控制策略,同时借鉴传统同步发电机小信号模型分析方法建立有功功率环路传递函数,给出参数的选取范围;最后,基于MATLAB/Simulink仿真,验证了所提自适应控制策略在改善频率和功率暂态特性方面的有效性。

基于模型预测的直流微网多电力弹簧协同控制策略研究

针对新能源接入、负荷投切所导致的直流微电网电压质量下降与系统呈现低惯性的问题,传统惯性控制随着电网规模的扩大适应性降低,因此提出一种多直流电力弹簧(DC electric springs,DCESs)单元下的直流微网电压协同控制策略,首先采用分布式一致性算法通过稀疏通信网络交换本地信息与相邻信息,求解全局母线电压平均值,并引入积分环节提高传统通信方式的收敛性。接着考虑系统负荷投切以及源侧功率波动导致的电压突变,基于DCES中的双向全桥DC/DC变换器构建预测模型,令各DCES根据系统功率波动状态自适应求解最佳虚拟电容值,平滑直流母线电压,提升了动态响应速度,同时分析了系统电压的收敛性与稳定性。最后通过MATLAB/Simulink在随机波动负荷、实际光伏场景下从电压质量、即插即用性能、系统惯性3个方面验证了模型的有效性,所提出的控制策略在保证系统电压平稳的同时,具有更优的动态响应能力。

计及风力发电机转速安全约束的DFIG一次调频模型预测控制策略

针对传统方法控制双馈感应发电机(DFIG)的调频效果过于依赖参数整定的问题,该文提出了一种基于模型预测控制(MPC),计及转速安全约束的风力发电机参与一次调频控制策略。该方法结合风力发电机动力学模型与频率响应模型建立预测模型,通过线性回归方法变参考值将风力发电机转速的稳定性纳入考虑。相较于虚拟惯性控制等方法将系统频率偏差与转子动能直接关联,该文方法通过建立全新的预测模型,实时统筹考虑整个系统的状态信息,无需反复调整参数,在考虑转速安全性的同时兼顾全局性能。最后,通过实际算例分析验证了该文调频策略的有效性以及相对现有方法的优越性。