一种靠港商船微电网虚拟直流电机无模型自学习控制方法

摘要

本发明提供了一种靠港商船微电网虚拟直流电机无模型自学习控制方法，以改善靠港商船岸电接入下船舶微电网直流母线电压的稳定性，包括以下步骤：采集船舶微电网直流母线电压，建立船舶虚拟直流电机模型并对电枢方程进行离散化处理；建立虚拟直流电机输入转动惯量和输出直流母线电压相关的紧格式局部线性化数据模型；设计转动惯量无模型自学习控制器并根据输入输出数据计算伪偏导数；设计转动惯量的自适应调节；通过控制船舶微电网Buck/Boost变换器模拟直流发电机外特性稳定直流母线电压。本发明在有效抑制靠港商船岸电接入下由于负载投切与新能源出力变化导致的船舶微电网直流母线电压波动的同时也优化了船舶微电网直流母线电压调节的动态响应速度。

说明书

技术领域

本发明属于港口能源控制技术领域，尤其涉及一种靠港商船微电网虚拟直流电机无模型自学习控制方法。

背景技术

绿色港口通过建立太阳能光伏、风力、氢燃料、储能供电和LNG等新能源与岸电相连的港口船舶微电网，推动港口绿色低碳循环发展。与陆地微电网不同，船舶靠港岸基供电下控制机构复杂、电源类型繁多、负载类型多为电机负载且负载投切频繁。由于微电网直流电力电子变换器件运行时缺少惯性和阻尼，新能源发电的间歇性特点与船载克令吊等大功率设备等的频繁使用易引起船舶微电网母线电压波动与振荡，甚至造成船舶微电网失稳。通过控制技术使船舶微电网直流电力电子变换器具备阻尼与惯性，可以增加船舶微电网的稳定性。因此对于船舶微电网直流电力电子变换器的控制问题成为了相关领域学者研究重点。

为解决新能源发电与负载的随机波动引起的直流母线电压的波动，长沙理工大学黄頔、樊绍胜等人提出了一种虚拟直流电机控制技术，通过将直流发电机的机械方程与电枢方程应用到控制算法当中，模拟直流发电机的惯量特性与阻尼特性，使得在新能源发电波动以及负荷突变时微电网直流母线电压仍能保持稳定。但是该方法采用固定旋转惯量，未实现对参数的灵活控制，导致电压调节动态特性较差，很难应用于负载频繁投切的船舶微电网中；大连海事大学张勤进等人提出了一种基于参数自适应的直流微源虚拟发电机控制方法，通过将PI环节引入转动惯量参数的设计，给出了转动惯量自适应调节方程，实现了虚拟直流发电机转动惯量的自适应调节，提升了微电网系统电压调节动态响应速度。但由于PID控制由于误差积分反馈的引入，使得微电网系统电压控制过程容易出现振荡，无法满足船舶微电网敏感负载对直流母线稳定电压的需求。无模型自学习控制是一种数据驱动控制方法，通过利用紧格式动态线性化方法处理受控系统的输入输出数据，将其转换成带有非线性项的线性仿射数据模型。无模型自学习控制方法包括对时变线性参数的自适应估计算法和对不确定项的时间差分估计算法，仅利用受控系统的在线输入输出数据进行控制器设计，不需要任何的模型信息，具有较强的鲁棒性，非常适合应用于具备非线性、模型结构未知的港口能源控制技术领域。

基于以上分析，本发明提出了一种靠港商船微电网虚拟直流电机无模型自学习控制方法，该方法仅利用船舶直流微电网虚拟直流发电机控制系统的输入输出数据，通过无模型自学习控制算法改进虚拟直流发电机实现转动惯量的自适应调整，进而改善靠港商船岸电接入下因负载投切与新能源出力变化导致的船舶微电网电压波动问题，并且具备电压调节动态响应速度快的优点，提高了船舶微电网的稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供了一种靠港商船微电网虚拟直流电机无模型自学习控制方法，该方法采用无模型自学习控制改进虚拟直流发电机控制，设计转动惯量的自适应调整控制算法，动态调节虚拟直流发电机控制中的转动惯量，通过控制船舶微电网Buck/Boost变换器模拟直流发电机外特性稳定直流母线电压。优化了船舶微电网直流母线电压调节的动态响应速度，将电压波动限制在安全范围内进而改善靠港商船岸电接入下因船舶微电网负载投切与新能源出力变化导致的直流母线电压波动问题。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

S1:采集船舶微电网直流母线电压，建立船舶虚拟直流电机模型并对电枢方程进行离散化处理；

S2:建立虚拟直流电机输入转动惯量和输出直流母线电压电压相关的紧格式局部线性化数据模型；

S3:设计转动惯量无模型自学习控制器并根据输入输出数据计算伪偏导数；

S4:设计转动惯量的自适应调节；

S5:通过控制船舶微电网Buck/Boost变换器模拟直流发电机外特性稳定直流母线电压；

进一步，步骤S1中，所述采集船舶微电网直流母线电压，建立船舶虚拟直流电机模型并对电枢方程进行离散化处理具体包括：模拟直流发电机输出外特性通过建立虚拟直流电机模型实现。

(1)虚拟直流发电机的机械方程为：

其中，

ω

虚拟直流发电机的电枢方程为：

其中，

R

(2)结合虚拟直流发电机的机械方程对电枢方程进行离散化处理：

其中，

J(t)表示t时刻的转动惯量；U(t)表示t时刻的微电网直流母线电压；U(t+1)表示t+1时刻的微电网直流母线电压；

更进一步，步骤(2)的离散化电枢方程满足：

方程关于J(t)的偏导数存在且连续；

该方程满足广义Lipschitz条件，即给定任意U(t

进一步，步骤S2中，所述建立虚拟直流电机输入转动惯量和输出电压相关的紧格式局部线性化数据模型具体包括：

建立离散时间非线性系统如下：

U(t+1)＝f(U(t),…,U(t-n

其中，U(t)表示t时刻的船舶直流微电网电压，J(t)表示t时刻的转动惯量，分别表示t时刻系统的输入和输出；n

利用传统无模型自适应算法对该系统进行分析，考虑系统的下一时刻船舶直流微电网电压变化量与之前时刻的转动惯量变化量有关，得到：

非线性函数f(…)存在对于系统输入变量J(t)的连续偏导数；

非线性系统满足广义Lipschitz条件，即给定任意U(t

定义非线性项γ(t)

对于满足上述条件的船舶微电网系统，一定存在时变参数向量ξ(t)使系统转化为如下的紧格式局部线性化数据模型：

U(t+1)＝U(t)+ξ(t)ΔJ(t)+γ(t)；

其中，

U(t+1)表示t+1时刻的电枢电动势；ΔJ(t)＝J(t)-J(t-1)；J(t-1)表示t-1时刻的转动惯量；ξ(t)表示系统的伪偏导数；

进一步，步骤S3中，所述设计转动惯量无模型自学习控制器并根据输入输出数据计算伪偏导数具体包括：

(1)考虑输入准则函数G(J(t))＝|U

其中U

输入准则函数两边关于J(t)求导并令其等于0，得到无模型自学习控制率为：

其中，μ∈(0,1]是步长因子；

(2)对于系统的伪偏导数给出指标函数ξ(t)，给出指标函数：

其中，ρ＞0为权重因子；

对指标函数两边关于ξ(t)求导并令其等于零，计算无模型自适应控制下的转动惯量伪偏导数估计率：

其中，

对于非线性项γ(t)，使用之前的输入输出数据来对当前时刻的γ(t)进行估计，计算如下：

其中，

进一步，步骤S4中，所述设计转动惯量的自适应调节具体包括：

根据船舶微电网直流变换器输出最大功率P

假设存在常数b，当船舶直流微电网接入小负载，对船舶直流微电网电压影响ΔU＜b时，选择数值较小的J

设计转动惯量无模型自适应控制算法如下：

无模型自学习控制器利用来自船舶虚拟直流发电机输出船舶微电网直流母线电压和期望船舶微电网直流母线电压，其输出量J(t)实时跟踪负载调节需求。通过无模型自学习控制算法设计虚拟直流发电机控制实现转动惯量J的自适应调节，从而弥补虚拟直流发电机固定转动惯量的不足，提高船舶直流微网系统电压调节的响应速度和稳定性。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明采用的控制方法，通过无模型自学习控制改进船舶虚拟直流发电机控制，设计转动惯量参数的自适应调整，动态调节船舶直流虚拟同步发电机的转动惯量，减小靠港商船岸电接入下船舶微电网由于船舶负载投切与新能源出力变化导致的直流母线电压波动，优化了船舶直流微电网母线电压调节的响应速度，满足船舶微电网运行电压稳定的要求。

附图说明

图1是虚拟直流发电机无模型自学习控制方法的原理框图；

图2为本发明提出的一种靠港商船微电网虚拟直流电机无模型自学习控制方法的一个实施例的流程图；

图3是本发明提出的一种靠港商船微电网虚拟直流电机无模型自学习控制方法在负载功率突变下直流母线电压曲线；

图4是本发明提出的一种靠港商船微电网虚拟直流电机无模型自学习控制方法在负载功率突变下转动惯量动态变化曲线；

具体实施方式

为更加清楚的说明本发明实例的目的、技术方案，以下将结合附图，对本发明进行描述。

本发明考虑在靠港商船岸电接入下船舶微电网由于负载频繁投切与新能源出力变化导致的船舶直流母线电压波动及传统虚拟直流发电机采用固定转动惯量电压调节响应速度慢问题，通过结合虚拟直流发电机的微电网直流变换器控制方式，提出了一种靠港商船微电网虚拟直流电机无模型自学习控制方法。下面，对一种靠港商船微电网虚拟直流电机无模型自学习控制方法进行详细说明。

请参阅图1～图4为靠港商船微电网虚拟直流电机无模型自学习控制方法，本方法通过无模型自学习控制改进船舶虚拟直流发电机控制，设计转动惯量参数的自适应调整，动态调节船舶直流虚拟直流发电机的转动惯量，减小靠港商船岸电接入下船舶微电网由于负载频繁投切与新能源出力变化导致的船舶微电网直流母线电压波动，优化了船舶直流微电网母线电压调节的响应速度。

图2是本发明一种靠港商船微电网虚拟直流电机无模型自学习控制方法的流程图，具体包括以下步骤：

步骤一：采集船舶微电网直流母线电压，建立船舶虚拟直流电机模型并对电枢方程进行离散化处理。

(1)虚拟直流电机控制

图1为虚拟直流发电机无模型自学习控制方法的原理框图。图中，U

虚拟直流发电机控制通过模拟直流电机的外特性，为系统提供额外的惯性和阻尼支撑，通过控制微电网Buck/Boost变换器模拟直流发电机外特性稳定直流母线电压。因此通过虚拟直流发电机的模型，可得到虚拟直流发电机的机械方程如下式所示：

其中，ω

虚拟直流发电机的电枢方程为：

其中，R

(2)结合虚拟直流发电机的机械方程对电枢方程进行离散化处理可得：

其中，J(t)表示t时刻的转动惯量；U(t)表示t时刻的直流母线电压；U(t+1)表示t+1时刻的直流母线电压；

为了提高虚拟直流发电机电枢离散化方程的精确性，离散化方程(3)满足下述假设：

假设1：方程关于J(t)的偏导数存在且连续；

假设2：该方程满足广义Lipschitz条件，即给定任意U(t

对于虚拟直流发电机控制策略的虚拟转动惯量，该变量是连续可微的，因此假设1成立。另外有限的转动惯量的变化不会引起船舶直流微电网母线电压的剧烈波动，因此假设2成立。

步骤二：建立虚拟直流电机输入转动惯量和输出直流母线电压相关的紧格式局部线性化数据模型。

建立离散时间非线性系统如下：

U(t+1)＝f(U(t),…,U(t-n

其中，U(t)表示t时刻的船舶微电网直流母线电压，J(t)表示t时刻的转动惯量，分别表示t时刻系统的输入和输出；n

利用传统无模型自学习算法对该系统进行分析，考虑系统的下一时刻船舶直流微电网电压变化量与之前时刻的转动惯量变化量有关，得到：

非线性函数f(…)存在对于系统输入变量J(t)的连续偏导数；

非线性系统满足广义Lipschitz条件，即给定任意U(t

定义非线性项γ(t)

对于满足上述条件的船舶微电网系统，一定存在时变参数向量ξ(t)使系统转化为如下的紧格式局部线性化数据模型：

U(t+1)＝U(t)+ξ(t)ΔJ(t)+γ(t) (6)

其中，ΔJ(t)＝J(t)-J(t-1)；J(t-1)表示t-1时刻的转动惯量；ξ(t)表示系统的伪偏导数；

步骤三：设计转动惯量无模型自学习控制器并根据输入输出数据计算伪偏导数具体。

(1)考虑输入准则函数：

G(J(t))＝|U

其中，U

输入准则函数两边关于J(t)求导并令其等于0，得到无模型自学习控制率为：

其中，μ∈(0,1]是步长因子；

(2)对于系统的伪偏导数给出指标函数ξ(t)，给出指标函数：

其中，ρ＞0为权重因子；

对指标函数两边关于ξ(t)求导并令其等于零，计算无模型自适应控制下的转动惯量伪偏导数估计率：

其中，

对于非线性项γ(t)，使用之前的输入输出数据来对当前时刻的γ(t)进行估计，计算如下：

其中，γ(t)为γ(t)的估计值；ΔU(t)＝U(t)-U(t-1)；ΔJ(t-1)＝J(t-1)-J(t-2)；J(t-2)表示t-2时刻的转动惯量；U(t-1)表示t-1时刻的微电网直流母线电压；

步骤四：设计转动惯量的自适应调节：

根据船舶微电网直流变换器输出最大功率P

假设存在常数b，当船舶直流微电网接入小负载，对船舶直流微电网电压影响ΔU＜b时，选择数值较小的J

设计转动惯量无模型自适应控制算法如下：

步骤五：通过控制船舶微电网Buck/Boost变换器模拟直流发电机外特性稳定直流母线电压。

无模型自学习控制器利用来自船舶虚拟直流发电机输出直流微电网电压和期望船舶微电网直流母线电压，其输出量J(t)实时跟踪负载调节需求。通过无模型自学习控制算法设计虚拟直流发电机控制实现转动惯量J的自适应调节，从而弥补虚拟直流发电机固定转动惯量无法兼顾的不足，提高船舶直流微网系统电压调节的响应速度和稳定性。

因此通过控制船舶微电网Buck/Boost变换器模拟直流发电机外特性，通过转动惯量的调整实现复杂海况下船舶微电网直流母线电压的稳定。

因此，本实施例的一种靠港商船微电网虚拟直流电机无模型自学习控制方法，考虑在靠港商船岸电接入下船舶微电网由于负载频繁投切与新能源出力变化导致的船舶直流母线电压波动及传统虚拟直流发电机采用固定转动惯量电压调节响应速度慢问题，通过无模型自学习控制改进船舶虚拟直流发电机控制，设计转动惯量参数的自适应调整，动态调节船舶直流虚拟直流发电机的转动惯量，减小靠港商船岸电接入下船舶微电网由于负载频繁投切与新能源出力变化导致的船舶直流微电网电压波动，优化了船舶直流微电网母线电压调节的响应速度。

下面对本实施例的控制系统进行仿真分析。

船舶微电网直流母线参考中远腾飞滚装轮微电网电压设置为1250V，利用MATLAB/Simulink搭建靠港商船微电网虚拟直流电机无模型自学习控制系统并进行分析，采用虚拟直流发电机算法的分布式能源直流变换器参数设置为；光伏变换器输出侧电容705μF；光伏变换器输入侧电感2.4Mh；开关频率50kHz；阻尼系数D

图4是本发明提出的一种靠港商船微电网虚拟直流电机无模型自学习控制方法在负载功率突变下转动惯量动态变化曲线，根据图4可以看出本发明提出的一种船舶微电网虚拟直流发电机无模型自适应控制方法可以根据电压波动实现转动惯量的自适应调整，优化了虚拟直流电机控制方法电压调节速度。

本实施例提出了一种靠港商船微电网虚拟直流电机无模型自学习控制方法。通过仿真实验，所提控制策略在有效抑制船舶微电网系统母线电压波动的同时，明显地提升了船舶微电网系统电压调节动态响应速度。

对与熟悉本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出相应的改变以及修饰、美化、组合，而所有的这些改变、修饰、美化及组合都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。