[发明专利]基于混杂系统的风电直流母线电压稳定控制器及控制方法

权利要求书

1.一种基于混杂系统的风电直流母线电压稳定控制器，该控制器接在低压直流侧，其特征在于，所述的控制器包括双向DC-DC变换单元和超级电容单元，所述的双向DC-DC变换单元由两个开关器件T1和T2同向串联组成双向半桥Buck-Boost电路，其两端分别连接低压直流侧电容C的两端，所述的超级电容单元包括电感L、电阻R_sc和超级电容C_sc，所述的电感L、电阻R_sc和超级电容C_sc依次串联后并联在开关器件T2两端。

2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述的开关器件为IGBT、IGCT或电力MOSFET。

3.一种权利要求1所述的基于混杂系统的风电直流母线电压稳定控制器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立DC-DC变换器混杂系统模型

根据耗散的端口受控哈密顿系统，连续工作模式下的DC-DC变换器表示为：

x·=F[[J(s(t))-R(s(t))]x(t)+B[s(t)]w(t)}y=Cx+Dw(t)s(t+=φ)[x(t),m(t)]---(1)]]>

x(t)为系统连续时间状态量；F、J和R均为n×n阵，其中F为可逆阵，J为斜对称阵，R为与负载电阻相关的非负矩阵；B∈R^n×r为输入矩阵；w(t)为连续输入量；C∈R^m×n为输出矩阵；D∈R^m×r为直接转移矩阵；m(t)表示系统当前模态的离散事件的输入，φ[，]是以系统状态x(t)和离散事件m(t)为变量的不连续函数；s(t)∈{0，1}为布尔量；为状态量的导数，y为输出量，s(t⁺)为下一个时间段的开关状态；

2)基于Boost电路建立混杂系统模型

用理想开关s表示Boost电路中的开关器件，基于基尔霍夫电压定律和电流定律的状态方程表示为：

icfu·cf=0-(1-s)/L(1-s)/C-1RCicfucf+1L0E---(2)]]>

按照式(1)确定基于Boost电路建立的混杂系统模型中各系数矩阵取值如下：

F=1L001CJ=0-(1-s)1-s0R=0001RB=10w=EC=[10]D=0]]>

3)确定系统平衡点与李雅普诺夫渐近稳定条件

把开关量s看作为一个连续量s(t)，选择系统状态稳定点x(t)=x_ref，当存在s(t)＝s_eq，且0≤s_eq≤1，满足：

F{[J(s_eq)-R(s_eq)]x_ref+B(s_eq)w}=0   (3)

由式(3)计算出在Boost电路中电压和电流的平衡点u_ref和i_ref分别为：

uref=11-seqE,iref=uref(1-seq)R---(4)]]>

确定平衡点后，采用李雅普诺夫第二法对DC-DC混杂系统进行稳定性分析，系统李雅普诺夫函数可以表示为：

V(x,xref)=12(x-xref)TF-1(x-xref)---(5)]]>

其导函数为：

V·=(x-xref)TF-1x·=(x-xref)T·{[J(s)-R(s)]x+B(s)w}=-(x-xref)TR(s)(x-xref)+(x-xref)T{[J(s)-R(s)]-[J(seq)-R(seq)]xref+[B(s)-B(seq)]w}---(6)]]>

当时，混杂系统渐进稳定；

在Boost电路中，系统的李雅普诺夫函数为：

V(x,xref)=12L(icf-iref)2+12C(ucf-uref)2---(7)]]>

式中i_cf为流经电感的电流，u_cf为超级电容的端电压，由式(6)得式(7)的时间导数为：

V·=-(ucf-uref)2R+(ucfiref-icfuref)(seq-s)---(8)]]>

由式(8)可以看出，若要保持在任何状态下成立，上式第二项需满足小于0；

为了实现这一控制目标，引入一个滑模面方程，令P(x，t)=u_cfi_ref-i_cfu_rer，则控制策略可用下式描述：

4)基于超级电容器的DC-DC变换器的控制

令发电机发出的功率为P_s，系统输出的并网功率为P_g；稳态时，P_s与P_g相等，超级电容器不工作；当P_s>P_g时，T₁触发，DC-DC工作于Buck电路状态，超级电容器吸收能量；当P_s<P_g时，T₂触发，DC-DC工作于Boost电路状态，超级电容器释放能量。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在DC-DC变换器的控制上加入类滑模控制。