基于线性二次型最优控制光伏并网发电系统研究

1、LOGO基于线性二次型最优控制的基于线性二次型最优控制的光伏并网发电系统的研究光伏并网发电系统的研究 答辩人：李春玲答辩人：李春玲指导教师：王成山指导教师：王成山 教授教授研究背景及意义研究背景及意义研究内容研究内容内容提要内容提要总结与展望总结与展望光伏并网发电的背景及意义光伏并网发电的背景及意义 随着科学技术的迅猛发展和人类对环境、能源可持随着科学技术的迅猛发展和人类对环境、能源可持续发展要求的不断提高，新型能源的开发利用得到越来续发展要求的不断提高，新型能源的开发利用得到越来越多的重视，其中光伏发电也得到了大力发展。越多的重视，其中光伏发电也得到了大力发展。 由于光伏并网发电具有系统拓扑

2、结构简单、节约投由于光伏并网发电具有系统拓扑结构简单、节约投资成本、控制策略简单、效率高等优点逐渐成为未来光资成本、控制策略简单、效率高等优点逐渐成为未来光伏发电的主要趋势，因此光伏并网发电的相关技术成为伏发电的主要趋势，因此光伏并网发电的相关技术成为了新的研究方向。了新的研究方向。光伏光伏并网发电并网发电关键技术关键技术一、最大功率跟踪技术一、最大功率跟踪技术二、并网电流控制技术二、并网电流控制技术三、孤岛效应检测技术三、孤岛效应检测技术研究对象研究对象-单相两级式光伏并网发电系统单相两级式光伏并网发电系统优点：可以实现光伏阵列最大功率点跟踪控制与并优点：可以实现光伏阵列最大功率点跟踪控制与

3、并网控制的独立控制，从而降低了控制难度；具有较网控制的独立控制，从而降低了控制难度；具有较宽的电压输入范围，整机效率较高。宽的电压输入范围，整机效率较高。 两级式光伏并网发电系统结构两级式光伏并网发电系统结构 控制要求控制要求-线性二次型性能指标函数最优线性二次型性能指标函数最优最优性，是人们研究和处理任何问题所追求的目标之一。最优性，是人们研究和处理任何问题所追求的目标之一。最优控制，是人们要达到目标所实施的手段。最优控制，是人们要达到目标所实施的手段。比如：工业设计比如：工业设计既满足设计要求又能降低成本既满足设计要求又能降低成本 资源分配资源分配既能满足各方面要求又能获得好的经济效益既能

4、满足各方面要求又能获得好的经济效益 安排生产安排生产提高利润和产量提高利润和产量 城市建设城市建设合理布局，方便群众，有利于各行各业发展合理布局，方便群众，有利于各行各业发展 农田规划农田规划高产稳产，发挥地区优势高产稳产，发挥地区优势 军事指挥军事指挥消灭敌人保存自己，有利于战争的布局消灭敌人保存自己，有利于战争的布局最优控制理论目前仍然是正在发展中的极其活跃的学科领域之一最优控制理论目前仍然是正在发展中的极其活跃的学科领域之一控制要求控制要求-线性二次型性能指标函数最优线性二次型性能指标函数最优 线性二次型最优控制的特点：研究是系统的综合性能线性二次型最优控制的特点：研究是系统的综合性能指

5、标，最优解具有统一的解析表达式，且可导致一个简单指标，最优解具有统一的解析表达式，且可导致一个简单的状态线性反馈控制律而构成闭环最优反馈系统，从而便的状态线性反馈控制律而构成闭环最优反馈系统，从而便于计算和实现闭环反馈控制；易于实现、具有工程性于计算和实现闭环反馈控制；易于实现、具有工程性 ，可，可以兼顾系统性能指标，可以实现极点的最优配置，并可抗以兼顾系统性能指标，可以实现极点的最优配置，并可抗慢变输入扰动，从而沟通了现代控制理论与经典控制理论慢变输入扰动，从而沟通了现代控制理论与经典控制理论之间的关系。之间的关系。 线性二次型最优控制问题引起从事控制的理论研究线性二次型最优控制问题引起从事

6、控制的理论研究者及工程技术人员的极大关注，成为最优控制理论及应者及工程技术人员的极大关注，成为最优控制理论及应用中最成熟的部分。用中最成熟的部分。 1958年年: Bellman R., Glicksberg I., Gross O提出。提出。 1960年年: Kalman E. 建立建立LQ最优控制问题的状态反馈最优控制最优控制问题的状态反馈最优控制, , 将将Riccati方程引入了控制理论方程引入了控制理论, , 从此从此LQ最优控制不断发展壮大。最优控制不断发展壮大。线性系统线性系统LQ最优控制最优控制控制要求控制要求-线性二次型性能指标函数最优线性二次型性能指标函数最优状态反馈状态反

7、馈输出反馈输出反馈LQ最优控制两种形式最优控制两种形式静态输出反馈静态输出反馈动态输出反馈动态输出反馈（动态补偿器）（动态补偿器） TT01d2Jxt Qx tut Ru tt指标函数为：指标函数为：控制方法之一控制方法之一-动态补偿器动态补偿器 cccccccxtA xtB y tu tC xtD y t闭环系统框图闭环系统框图 动态补偿器的一般形式动态补偿器的一般形式 =0ryt若 x tAx tBu ty tCx t受控系统受控系统控制方法之二控制方法之二-伺服补偿器伺服补偿器 00若若，rytw t抗扰动跟踪控制原理图抗扰动跟踪控制原理图 2cc ccc cxtA xtB e tutK

8、 xt伺服补偿器伺服补偿器 wx tAx tBu tB w ty tCx t受控系统受控系统本课题研究具有重要意义本课题研究具有重要意义 针对两级式光伏并网发电系统，考虑在线性二次型指标下基于动态补偿器（或伺服补偿器）的最优控制问题。提出了一种基于动态补偿的线性二次型最优控制与模糊变步长扰动观察法相结合的综合控制策略； 提出了一种基于伺服补偿器的动态-抗扰最优极 点配置与重复控制相结合的光伏并网逆变器新型复合控制策略。 二二 . 研究内容研究内容1、最大功率跟踪、最大功率跟踪2、逆变器直流侧、逆变器直流侧 电压稳定控制电压稳定控制3、并网逆变器电、并网逆变器电 流波形控制流波形控制1、最大功率

9、跟踪、最大功率跟踪光照不同时的光照不同时的I-U及及P-U曲线曲线 温度不同时的温度不同时的I-U及及P-U曲线曲线 要使光伏器件尽可能地工作在最大功率点，必须要使光伏器件尽可能地工作在最大功率点，必须采用最大功率跟踪技术。采用最大功率跟踪技术。 之光伏电池特性曲线之光伏电池特性曲线1、最大功率跟踪、最大功率跟踪原理：原理：周期性周期性地给光伏阵列的输出电压加扰动，地给光伏阵列的输出电压加扰动， 比较其比较其当前输出功率与前一周期的输出功率的大小当前输出功率与前一周期的输出功率的大小, ,如果功率增如果功率增加则在下一个周期以相同方向加扰动加则在下一个周期以相同方向加扰动, ,否则改变扰动的方

10、否则改变扰动的方向。向。缺点：缺点：在最大功率点附近会产生振荡在最大功率点附近会产生振荡, ,步长的选择会影步长的选择会影响跟踪的速度响跟踪的速度, ,环境变化较快时功率损失大且可能发生环境变化较快时功率损失大且可能发生误判。误判。优点：优点：结构简单结构简单, , 容易实现，改进和优化的方法较多。容易实现，改进和优化的方法较多。之扰动观察法之扰动观察法1、最大功率跟踪、最大功率跟踪之基于模糊控制的变步长扰动观察法之基于模糊控制的变步长扰动观察法min1mppmppmppUK SUUHUR 步长的最小值 模糊控制的模糊控制的P&O的的MPPT模型模型 BoostBoost变换器的主电路图变换器

11、的主电路图 2、逆变器直流侧电压稳定控制、逆变器直流侧电压稳定控制 111pvx tA x tG uty tC x t 222pvx tA x tG uty tC x t在在 0，dTs的时间段内的时间段内 在在 dTs ，Ts的时间段内的时间段内 2、逆变器直流侧电压稳定控制、逆变器直流侧电压稳定控制 TsTspvpvpvpvTsx tx tXx ty ty tY ty tututUtutd tDd t 1212pvx tAx tGutAAXd tAAx t d ty tCx tCCM Boost变换器的交流小信号状态空间表达式为变换器的交流小信号状态空间表达式为 分离扰动分离扰动2、逆变器

12、直流侧电压稳定控制、逆变器直流侧电压稳定控制 pvx tAx tBd tGuty tCx t pvtAtutCt线性二次型性能指标函数线性二次型性能指标函数 tAtB u ty tCt cc ccc cxtA xtB y tu tC xt 00tAty tCt 012TJt Qtdt之未达到之未达到MPP时时简化后的系统简化后的系统外系统外系统无扰动系统无扰动系统动态补偿器动态补偿器闭环系统闭环系统 12x tAx tAAXx td ty tCx t2、逆变器直流侧电压稳定控制、逆变器直流侧电压稳定控制之达到之达到MPP时时 x tfx tg x td ty th x t zzzzz tA z

13、 tB u tytC z t简化后的系统简化后的系统仿射非线性系统仿射非线性系统线性化后的系统线性化后的系统 12( )fxzzLxz u tx td tx 线性化后的系统 zzzzz tA z tB u tytC z tcccczcczAzByvCz取二阶动态补偿器A闭环系统 012TtJ Ft Qt dt取性能指标函数22100TTccTTccccQC B R B CQA R AC RC 1001212TTtTTcc czczzctJ Fz Qzv Rv dtz Q zy R ydtJJ2、逆变器直流侧电压稳定控制、逆变器直流侧电压稳定控制之达到之达到MPP时时仿真结果仿真结果(a) 基于

14、非线性基于非线性PI最优控制最优控制 （b)基于动态补偿最优控制基于动态补偿最优控制额定负载时额定负载时Boost变换器的输出电压曲线对比变换器的输出电压曲线对比 (a) 基于非线性基于非线性PI最优控制最优控制 (b)基于动态补偿的最优控制基于动态补偿的最优控制输入电压跌落时的动态响应输入电压跌落时的动态响应 仿真结果仿真结果(a) 传统定步长扰动观察法波形传统定步长扰动观察法波形 (b)文中所用综合控制法波形文中所用综合控制法波形标准光照条件下的启动波形标准光照条件下的启动波形 (a) 传统定步长扰动观察法波形传统定步长扰动观察法波形 (b)文中所用综合控制法波形文中所用综合控制法波形光照

15、强度发生剧烈变化条件下波形光照强度发生剧烈变化条件下波形 3、并网逆变器电流波形控制、并网逆变器电流波形控制单相桥式整流电路单相桥式整流电路 之非线性负载之非线性负载21,3,5,2sinkkkiIk t变压器二次侧电流变压器二次侧电流主要主要电压、电流波形电压、电流波形 3、并网逆变器电流波形控制、并网逆变器电流波形控制 ppppwpppxtA xtB u tB w tytC xt之基于之基于LCL型滤波器的单相光伏并网逆变器型滤波器的单相光伏并网逆变器 逆变器状态逆变器状态空间表达式空间表达式基于基于LCL型滤波器的逆变器主电路型滤波器的逆变器主电路特征多项式中不稳定部分的最小公倍数为特征

16、多项式中不稳定部分的最小公倍数为3、并网逆变器电流波形控制、并网逆变器电流波形控制 0,0rw tyt limlim0rptte tytyt条件条件之基于伺服补偿器的渐进跟踪系统之基于伺服补偿器的渐进跟踪系统 rw tyt令令及及 22ss伺服补偿器相关矩阵伺服补偿器相关矩阵0110cA01cB 目标目标3、并网逆变器电流波形控制、并网逆变器电流波形控制之基于伺服补偿器的渐进跟踪系统之基于伺服补偿器的渐进跟踪系统 cc ccc cxtA xtB e tu tC xt rtAtBu tEw tGyt增广系统增广系统取伺服取伺服补偿器补偿器原系统原系统 ppppwpppxtA xtB u tB w

17、 tytC xt pcu tKtKC 极点配置问题就是根据系统动态品质的要求，把闭环极点配置问题就是根据系统动态品质的要求，把闭环系统的极点配置在所期望的位置上。系统的极点配置在所期望的位置上。 之最优极点配置之最优极点配置 最优极点配置问题：确定一个状态反馈增益矩阵，使对应的闭环系统有指定的一组闭环极点，并且使某个二次型性能指标极小。 最优极点配置问题主要包括两方面： (1)如何根据期望的闭环动态特性选择或修正指定的闭环极点，使之成为一组最优极点；(2)如何确定一个状态反馈增益，使之成为最优反馈，并达到指定闭环极点配置的要求 。3、并网逆变器电流波形控制、并网逆变器电流波形控制3、并网逆变器

18、电流波形控制、并网逆变器电流波形控制之传统最优极点配置之传统最优极点配置(2) 构造构造n-1次特征多项式次特征多项式 (1) 取二次型性能指标函数取二次型性能指标函数 012TTTJt Qtut utdt 411 iigss 闭环系统特征多项式闭环系统特征多项式 1g ssgs 1Tg sDsIABa s(6) 求状态求状态Q TQDD /2n nmz其中其中 (3) 令令 deta ssIA(4)为满足最优性条件，应有为满足最优性条件，应有 gjg jaja j(5) 计算计算D (7) 求最优反馈控制律求最优反馈控制律 * utK3、并网逆变器电流波形控制、并网逆变器电流波形控制之动态之

19、动态-抗扰最优极点配置抗扰最优极点配置原增广系统变换为原增广系统变换为 存在一个非奇异线性变换存在一个非奇异线性变换 zczczztAtB u tG wt ,tTtu tHu tLuenberger标准形标准形 zczczztAtB u tG wt1112111221220,0zczczczczcAABATA TBTBHGTGBAA01000000000001000000,0001000001iiijiiiijIAAB 111101 nnninisssss 12110 lllilisssss把闭环系统把闭环系统n+l个的极点分为个的极点分为2组组 3、并网逆变器电流波形控制、并网逆变器电流波形

20、控制之动态之动态-抗扰最优极点配置抗扰最优极点配置1112121232122000000,000000 aaKKKKaa令令 123+uKtKKKt取反馈控制律取反馈控制律 cztAtGwt相应的闭环系统相应的闭环系统 120000czczcIKAAB KI 其中其中3、并网逆变器电流波形控制、并网逆变器电流波形控制之动态之动态-抗扰最优极点配置抗扰最优极点配置3、并网逆变器电流波形控制、并网逆变器电流波形控制之重复控制器之重复控制器改进的重复控制系统 基本的重复控制系统 3、并网逆变器电流波形控制、并网逆变器电流波形控制复合控制下逆变器并网控制框图复合控制下逆变器并网控制框图 之复合控制之复

21、合控制之仿真验证之仿真验证3、并网逆变器电流波形控制、并网逆变器电流波形控制(a) 网测电流网测电流 (b) 网侧电流谐波含量分析网侧电流谐波含量分析 整流负载波形整流负载波形 (a) 电网电压及并网电流波形电网电压及并网电流波形 (d) 网侧电流谐波含量分析网侧电流谐波含量分析传统传统PI控制控制 3、并网逆变器电流波形控制、并网逆变器电流波形控制之仿真验证之仿真验证3、并网逆变器电流波形控制、并网逆变器电流波形控制之仿真验证之仿真验证(a) 电网电压及并网电流波形电网电压及并网电流波形 (d) 网侧电流谐波含量分析网侧电流谐波含量分析基于伺服补偿器的传统最优极点配置与重复控制相结合的复合控制策略基于伺服补偿器的传统最优极点配置与重复控制相结合的复合控制策略 (a) PI并联重复控制并网波形并联重复控制并网波形 （b）伺服补偿器并联重复控制并网波形）伺服补偿器并联重复控制并网波形基于动态基于动态-抗扰最优极点配置与重复控制相结合的复合控制策略抗扰最优极点配置与重复控制相结合的复合控制策略 3、并网逆变器电流波形控制、并网逆变器电流波形控制之仿真验证之仿真验证三、总结与展望三、总结与展望-总结总结针对最大功率跟踪及逆变器直流侧电压稳定问题，提针对最大功率跟踪及逆变器直流侧电压稳定问题，