一种混合储能系统的无静差控制方法技术方案

本发明专利技术提供的一种混合储能系统的无静差控制方法，适用于蓄电池和超级电容构成的混合系统，也适用于由其他若干不同类型储能装置构成的混合储能系统，直接对MIMO型储能系统实现无静差控制，其控制器包括两部分，其一为伺服补偿器，可以保证被控系统的输出误差为零，即实现无静差控制；其二为镇定补偿器，可以使控制系统保持稳定，有效克服传统PI算法不能解决MIMO系统控制的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种混合储能系统的无静差控制方法
本专利技术涉及储能系统控制领域，更具体的，涉及一种混合储能系统的无静差控制方法。
技术介绍
在以风能和太阳能为代表的新能源发电技术应用领域中，由于此类能源具有随机波动性、周期性和不可调度性等特征，因此为提高新能源发电系统惯性，优化新能源发电效率，需要配置储能系统。目前，储能系统主要由蓄电池构成。由于蓄电池循环充放电寿命和功率密度相对较低。因此从延长蓄电池的使用寿命和提高储能系统的响应速度这一应用目的来说，以蓄电池这一高能量密度储能装置和超级电容器这一高功率密度储能装置配合构成的混合储能系统在储能
中将具有更广阔的应用前景。实际应用中，混合储能系统中的蓄电池和超级电容储能单元分别通过电力电子装置DC/DC(直流/直流变换装置)与直流母线相连。针对这种拓扑结构和两种储能单元自身的性能特点，混合储能系统的控制目的可以设定为2方面：1)保持直流母线电压恒定在设定值，即直流母线电压在受到扰动(由负载变化引起)后能通过控制算法快速调节保持恒定(即直流母线无静差)；2)保持蓄电池电流恒定在设定值。蓄电池因使用寿命较短且功率密度较低，为延长其使用寿命，通常需要设定其工作电流的具体数值，并在充放电过程中通过控制算法保持蓄电池工作电流恒定(即蓄电池电流无静差)。基于以上控制目的，需要设计具体的控制算法实现对混合储能系统中电力电子装置(DC/DC)的无静差控制，以此达到控制目的的要求。针对混合储能系统的控制问题，目前实际应用中主要采用PI(比例积分)控制方法。专利CN201580008085.0公开的控制系统中采用PID控制的方法对MIMO系统进行控制，该方法控制结构简单、设计方法成熟，但是不能处理MIMO(Multi-inputMulti-output，多输入多输出)被控系统的控制问题。而对于由不同类型储能单元配合各自的DC/DC装置构成的混合储能系统而言，其本质上是一个MIMO系统。因此，为实现混合储能系统的无静差控制，需要采用可以处理MIMO系统的控制算法。
技术实现思路
本专利技术为克服现有的混合储能系统控制方法存在无法处理MIMO被控系统的控制问题的技术缺陷，提供一种混合储能系统的无静差控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种混合储能系统的无静差控制方法，包括以下步骤：S1：根据储能混合系统的拓扑结构建立被控系统的线性状态空间模型；S2：验证线性状态空间模型的系统矩阵和输入矩阵是否完成能控，若是，则执行步骤S3，否则，算法结束；S3：判断线性状态空间模型的输入维数是否大于输出维数，若是，则执行步骤S4，否则，算法结束；S4：确定线性状态空间模型跟踪信号的不稳定部分作为不稳定模型，记为ω(s)；S5：计算ω(s)的根并进行验证，若验证成立，则执行步骤S6，否则，算法结束；S6：根据ω(s)中的系数确定分块系数矩阵，并在分块系数矩阵的基础上确定不稳定模型的系数矩阵；S7：基于不稳定模型的系数矩阵构建以误差作为输入向量的状态方程；S8：根据线性状态空间模型及输入向量的状态方程构建新的扩展系统状态方程；S9：对扩展系统状态方程按照期望极点配置求得反馈矩阵，从而使扩展系统的全部极点均位于s平面的左半开平面，即保证系统的稳定性；S10：对得到的反馈矩阵进行分块，并基于分块后的矩阵确定镇定补偿器和伺服补偿器，由镇定补偿器和伺服补偿器共同构成的控制器实现对储能混合系统的无静差控制。其中，在所述步骤S1中，所述线性状态空间模型具体记为Σ(A,B,C)：其中，x为m×1维系统状态向量，u为p×1维输入向量，y为q×1维系统输出向量，A为m×m系统矩阵，B为m×p维输入矩阵，C为q×m维输出矩阵。其中，所述步骤S2具体为：验证(A,B)是否完全能控，如果完全能控，则执行步骤S3；如不完全能控，则算法结束；验证是否完全能控的公式为(1-2)：rank[B,AB,A2B,Am-1B]＝m(1-2)即矩阵[B,AB,A2B,Am-1B]的秩与系统模型的阶次m相等时，系统完全能控。其中，所述步骤S4具体为：确定线性状态空间模型跟踪信号，即期望输出信号y0(t)的不稳定部分，即求该信号的拉氏变换Y0(s)分母中极点位于右半闭s平面的部分的最小公倍式，记为：ω(s)＝sl+αl-1sl-1+…+α1s+α0，其中，l为该多项式的阶次。其中，所述步骤S5具体为：计算ω(s)的根λi，并验证如下公式(1-3)是否成立，若验证成立，则执行步骤S6，否则，算法结束；其中，所述步骤S6具体为：根据ω(s)中的系数确定分块系数矩阵：在分块系数矩阵的基础上确定不稳定模型的系数矩阵：其中，F为ql×ql矩阵，G为ql×q维输入矩阵。其中，所述步骤S7具体为：基于矩阵F和G构建以误差e作为输入向量的状态方程(1-6)，记为Σ(F,G)：其中，ξ为ql×1维系统状态向量，e为q×1维误差向量；其中，所述误差e＝y(t)-y0(t)，表示实际输出y(t)与期望输出y0(t)之间的误差。其中，所述步骤S7具体为：综合(1-1)和(1-6)构建新的扩展系统状态方程(1-7)：其中，称为扩展系统的状态变量。其中，所述步骤S8具体为：对拓展系统(1-7)按照期望极点配置求得反馈矩阵即从而使扩展系统(1-7)的全部极点均位于s平面的左半开平面，即保证系统的稳定性。其中，所述步骤S9具体为：对求得的反馈矩阵进行分块，即其中Kc为p×m维矩阵，Ks为p×ql维矩阵；基于矩阵Kc和Ks确定出镇定补偿器和伺服补偿器的形式分别为：uc＝Kcx(1-8)us＝Ksξ(1-9)由镇定补偿器(1-8)和伺服补偿器(1-9)共同构成的控制器可以实现对蓄电池和超级电容器构成的混合储能系统的无静差控制。即保证系统母线电压和蓄电池电流在系统运行过程中保持恒定，不受负载变动而发生偏移。与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：本专利技术提供的一种混合储能系统的无静差控制方法，适用于蓄电池和超级电容构成的混合系统，也适用于由其他若干不同类型储能装置构成的混合储能系统，直接对MIMO型储能系统实现无静差控制，其控制器包括两部分，其一为伺服补偿器，可以保证被控系统的输出误差为零，即实现无静差控制；其二为镇定补偿器，可以使控制系统保持稳定，有效克服传统PI算法不能解决MIMO系统控制的问题。附图说明图1为本专利技术控制算法流程示意图；图2为混合储能系统拓扑结构图；图3为控制器的结构框图；图4为图2所示拓扑结构的元件选定某一具体参数后计算所得的仿真结果。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合储能系统的无静差控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：根据储能混合系统的拓扑结构建立被控系统的线性状态空间模型；/nS2：验证线性状态空间模型的系统矩阵和输入矩阵是否完成能控，若是，则执行步骤S3，否则，算法结束；/nS3：判断线性状态空间模型的输入维数是否大于输出维数，若是，则执行步骤S4，否则，算法结束；/nS4：确定线性状态空间模型跟踪信号的不稳定部分作为不稳定模型，记为ω(s)；/nS5：计算ω(s)的根并进行验证，若验证成立，则执行步骤S6，否则，算法结束；/nS6：根据ω(s)中的系数确定分块系数矩阵，并在分块系数矩阵的基础上确定不稳定模型的系数矩阵；/nS7：基于不稳定模型的系数矩阵构建以误差作为输入向量的状态方程；/nS8：根据线性状态空间模型及输入向量的状态方程构建新的扩展系统状态方程；/nS9：对扩展系统状态方程按照期望极点配置求得反馈矩阵，从而使扩展系统的全部极点均位于s平面的左半开平面，即保证系统的稳定性；/nS10：对得到的反馈矩阵进行分块，并基于分块后的矩阵确定镇定补偿器和伺服补偿器，由镇定补偿器和伺服补偿器共同构成的控制器实现对储能混合系统的无静差控制。/n...

【技术特征摘要】
1.一种混合储能系统的无静差控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据储能混合系统的拓扑结构建立被控系统的线性状态空间模型；
S2：验证线性状态空间模型的系统矩阵和输入矩阵是否完成能控，若是，则执行步骤S3，否则，算法结束；
S3：判断线性状态空间模型的输入维数是否大于输出维数，若是，则执行步骤S4，否则，算法结束；
S4：确定线性状态空间模型跟踪信号的不稳定部分作为不稳定模型，记为ω(s)；
S5：计算ω(s)的根并进行验证，若验证成立，则执行步骤S6，否则，算法结束；
S6：根据ω(s)中的系数确定分块系数矩阵，并在分块系数矩阵的基础上确定不稳定模型的系数矩阵；
S7：基于不稳定模型的系数矩阵构建以误差作为输入向量的状态方程；
S8：根据线性状态空间模型及输入向量的状态方程构建新的扩展系统状态方程；
S9：对扩展系统状态方程按照期望极点配置求得反馈矩阵，从而使扩展系统的全部极点均位于s平面的左半开平面，即保证系统的稳定性；
S10：对得到的反馈矩阵进行分块，并基于分块后的矩阵确定镇定补偿器和伺服补偿器，由镇定补偿器和伺服补偿器共同构成的控制器实现对储能混合系统的无静差控制。


2.根据权利要求1所述的一种混合储能系统的无静差控制方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述线性状态空间模型具体记为Σ(A,B,C)：



其中，x为m×1维系统状态向量，u为p×1维输入向量，y为q×1维系统输出向量，A为m×m系统矩阵，B为m×p维输入矩阵，C为q×m维输出矩阵。


3.根据权利要求2所述的一种混合储能系统的无静差控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：验证(A,B)是否完全能控，如果完全能控，则执行步骤S3；如不完全能控，则算法结束；验证是否完全能控的公式为(1-2)：
rank[B,AB,A2B,Am-1B]＝m(1-2)
即矩阵[B,AB,A2B,Am-1B]的秩与系统模型的阶次m相等时，系统完全能控。


4.根据权利要求3所述的一种混合储能系统的无静差控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：确定线性状态空间模型跟踪信号，即期望输出信号y0(t)的不稳定部分，即求该信号的拉氏变换Y0(s)分母中极点位于右半闭s平面的部分的最小公倍式，记为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵洋，康丽，张兆云，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东;44