控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2019年第3期

• 部分遮蔽下改进樽海鞘群算法的光伏系统最大功率跟踪

  杨博,钟林恩,朱德娜,束洪春,张孝顺,余涛

  部分遮蔽条件(partial shading condition)会使光伏系统的功率–电压(P--V)特性曲线出现多个峰值, 常规的最大功率跟踪(MPPT)算法易陷入局部最大功率点(LMPP)已不再适用. 本文提出了一款新型启发式算法, 即改进樽海鞘群算法(MSSA), 用于部分遮蔽条件下光伏系统MPPT. MSSA在原有樽海鞘群算法(SSA)的基础上, 引入了文化基因算法(memetic algorithm), 以樽海鞘链为种群单位, 采用多个樽海鞘链同时进行独立寻优, 以提高算法全局搜索和局部探索的能力; 同时, 通过群落中所有樽海鞘间的信息交流, 重组产生新的樽海鞘链, 以提高算法的收敛稳定性.本文通过3个算例对MSSA的优化性能进行了研究, 即恒温恒光照强度、恒温变光照强度和变温变光照强度. 仿真结果表明, 与增量电导法(INC)、遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)、灰狼算法(GWO) 和樽海鞘群算法(SSA)相比, 所提算法能在部分遮蔽条件下快速、稳定地获取最大光能. 最后, 基于dSpace 的硬件在环实验(HIL)验证了所提算法的硬件可行性.

• 考虑风场高维相依性的电网动态经济调度优化算法

  谢敏,柯少佳,胡昕彤,韦薇,杜余昕,刘明波

  大规模风电并网给电力系统的调度运行带来了巨大的挑战。本文提出改进的二阶段带补偿随机优化算法,用于考虑风场出力高维相依性的电网动态经济调度问题求解。首先,利用Copula函数进行多风场出力高维相依性的描述,获得多风场出力的联合分布；随后,引入改进的二阶段带补偿随机优化算法对动态经济调度模型中的常规变量与随机变量进行解耦求解；求解过程中,针对补偿惩罚期望值的计算受限于相依性风场维数,且对迭代收敛方向指导不明确,导致算法收敛耗时长的问题,引入基于整体最小二乘的递推动态多元线性回归法对二阶段带补偿随机优化算法进行改进,通过补偿惩罚期望值的动态更新,促使两阶段模型的迭代求解快速收敛,克服了传统随机优化方法的“维数灾”弊端,使该算法能够用于考虑风场高维相依性的电网动态经济调度模型的求解。最后利用IEEE118节点系统和某省级实际电网系统验证了所提算法的有效性和实用性。

• 基于扩张变参数模型的风力机自适应故障估计

  邵辉,聂卓赟,李平

  风力发电系统是复杂的空气动力学系统，有效的故障估计是保证发电系统可靠运行的重要方法. 本文基于风力机变参数模型，提出一种基于扩张变参数模型的风力机自适应故障估计方法. 首先阐述了风力机健康和故障变参数模型，基于此构造故障扩张模型，并利用线性变换得分块矩阵可观测标准型来完成自适应极点配置，进一步分别在扩张系统为奇、偶阶次下给出观测器设计定理及收敛性证明，从而实现扩张自适应观测器设计. 最后，在4.8MW的风力机标准模型上考虑系统元部件和执行器故障的在线估计. 仿真结果验证了本文方法的有效性和可靠性.

• 基于有效风速估计与预测的风电机组自适应最大风能跟踪控制(英文)

  焦绪国,杨秦敏,孙勇,应有

  针对如何在有效风速未知情况下实现风电机组最大风能跟踪(MPPT)的问题, 本文使用支持向量回归(SVR)和自适应控制原理, 提出基于有效风速估计与预测的自适应MPPT控制方案. 首先, 使用机组的历史运行数据, 训练得到基于SVR的风速估计与预测模型, 为MPPT控制提供实时参考输入. 其次, 结合在线学习估计器(OLA)和减小转矩增益(DTG)控制原理, 设计自适应MPPT控制器, 该控制器能够较好应对系统未知动态特性和干扰, 且能降低传动链载荷. 最后, 使用李雅普诺夫原理证明闭环系统所有信号都是有界的. 仿真结果表明本文提出的方法能够获得良好的MPPT效果, 进而提高机组产能.

• 阿基米德浮子式波浪发电系统的无源控制

  谢泽坤,杨金明,黄伟,姜元,黄秀秀

  针对波浪随机性变化的特性, 本文提出了一种基于无源性理论的波浪发电最大功率捕获控制方法.首先提出了阿基米德浮子式(Archimedes wave swing, AWS)波浪发电系统的欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange, E-L)模型, 其包含了系统的机械部分和电气部分, 之后充分利用波浪发电系统的结构性特点, 设计与系统动力学特性相匹配的控制器, 通过注入阻尼和调整系统能量分配的措施, 改变了系统有功和无功的分布, 使得系统获得良好的快速响应能力, 实现了任意波浪力输入下的波浪发电最大功率捕获控制, 并有良好的动态特性. 最后通过可控整流桥实现控制, 控制方法易于实现.

• 一种鲁棒双向直流变换装置的高阶滑模控制器(英文)

  皇甫宜耿,郭亮,梁艳,李飞,李钱

  随着新能源发电技术的发展，双向直流变换器（BDC）因其能量双向流动的特点而被广泛应用于航空航天、充放电控制和电动汽车等领域。由于在上述应用工况下，能源间歇性输入、负载随机性扰动、功率流向切换均会对系统母线电压产生干扰，因此对控制器的鲁棒性要求较高。论文基于Super-Twisting高阶滑模算法，设计了一种互补PWM型双向直流变换器的双闭环强鲁棒控制系统。阐明了Super-Twisting相比传统PI控制在鲁棒性和快速性优势的根本性原因，并基于一种类二次型李雅普诺夫函数，给出系统稳定条件，尤其是给出了更精确的Super-Twisting算法收敛时间的估计值。此外，通过等效控制线性化内环控制，解决了变换器应用中由于内环与变换器的非线性特性所导致的外环非线性算法参数设计复杂的问题，使系统外环亦可方便地采用Super-Twisting非线性算法，进一步提升了系统的鲁棒性。本文基于dSPACE半物理平台构建控制器，结合硬件电路进行实物实验平台的搭建。通过与传统PI双闭环控制对比，分别对母线负载扰动和功率流向切换进行了测试。最后通过仿真和实验验证了本文所设计控制器的有效性。

• 三相脉宽调制整流器的约束预测控制(英文)

  刘佳,张立炎,陈启宏,钱立,全书海

  本文将基于并行神经网络优化的约束模型预测控制（MPC）应用于脉宽调制（PWM）整流器中，提高了电网的质量。在三相静止坐标系下，建立了三相PWM整流器的解耦数学模型，为了突破有限集和无约束条件下预测控制的局限性，提出了约束模型预测控制。神经网络优化算法用于求解模型预测控制的在线优化，提高了单步优化的速度。提出了一种在保证系统单位功率因数的前提下，当系统负载突然变化时，具有快速动态响应的稳定输出直流电压的方法。采用FPGA控制器实现并行计算，减少了预测控制算法的计算时间。最后，通过仿真和实验结果验证了该方法的有效性和可行性。

• 两种固体氧化物燃料电池系统的故障建模与仿真对比研究(英文)

  吴肖龙,许元武,胡荣,邓忠华,付晓薇,李曦

  固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)系统的建模方式较多，而基于机理模型的故障诊断是能够通过系统的动态趋势辨别故障的有效手段之一，但该方法对机理模型的准确性有要求。此外，不同的燃料供给系统采用的系统结构也是有差异的，进而导致在相同故障下SOFC系统的动态响应也是不同的。因此，本文基于两种燃料供应方式，提出了分别以纯氢气和天然气作为燃料的SOFC 系统结构，并基于原有机理知识进行Matlab/Simulink 系统建模。经与真实SOFC系统实验对比，搭建的系统模型能够有效模拟系统在无故障状态下的动态变化；另外，在无故障模型的基础上，分别加入两类常见故障，其一为风机故障，其二为燃料供应管路泄露。最后通过仿真分析，明确了所搭建模型的合理性，且发现了两种燃料供应对SOFC系统热响应特性是不同的，对SOFC系统故障的检测和设备选型具有重要意义。

• 质子交换膜燃料电池的分数阶非线性状态空间模型研究

  戚志东,何永康,戈卫平,孙琦

  针对质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）发电过程中的分数阶和非线性特性, 本文提出了一种分数阶子空间辨识方法建立了PEMFC非线性状态空间模型. 首先, 为了降低建模复杂度, 采用典型相关分析法和相关分析法确定了模型输入变量; 其次, 将分数阶微分理论与Hammerstein模型子空间辨识方法相结合, 采用Poisson矩函数对输入输出数据进行预处理, 构造了子空间辨识方法的输入输出矩阵, 并引入分数阶短时记忆法减少辨识算法计算量; 最后, 选取多项式作为Hammerstein模型前端静态非线性环节, 采用模糊遗传算法优化系统分数阶阶次和系数矩阵. 仿真结果验证了算法的有效性, 改进的辨识算法可以明显减小计算时间, 所得PEMFC辨识模型能够准确地描述PEMFC的动态过程.

• 基于变论域模糊增量理论的质子交换膜燃料电池温度控制

  谢雨岑,邹见效,彭超

  质子交换膜燃料电池(PEMFC)内部的电化学反应过程直接表现为温度的变化, 所以有效的温度控制是保证燃料电池可靠性和耐久性的关键. 本文将模糊增量控制用于PEMFC 热管理系统中, 将PEMFC的温度和电堆出入口温度差保持在设定值. 首先, 建立PEMFC热管理系统的动态模型, 包括PEMFC电堆模型和辅助散热设备模型. 然后, 基于建立的系统模型, 设计了一种变论域的模糊增量控制器. 该控制器通过伸缩因子来动态调节模糊控制器中的量化因子和比例因子, 实现对模糊论域的调节, 从而提高控制的灵敏性和精确度. 最后, 将该温度控制方法用于10 KW燃料电池系统中, 实验结果表明变论域模糊增量控制器相比于其他模糊控制方法, 不仅具有更快的动态响应速度, 还具有更强的鲁棒性和更高的控制精度.

• 基于变参数模型的锂电池荷电状态观测方法(英文)

  许元武,吴肖龙,陈明渊,蒋建华,邓忠华,付晓薇,李曦

  锂电池荷电状态（State of Charge, SOC）观测技术作为电池管理系统（Battery Management System,BMS）的关键技术，在维持电池系统设备安全高效运作、延长电池组整体生命周期等方面均起着不可或缺的作用。本文对锂离子电池荷电状态的观测方法进行了研究，基于二阶变参数锂电池模型，设计了一种有效的改善SOC 观测精度的方法。首先，根据SOC 的定义，建立了安时积分估计（Amper-Hour integral estimator, AH），通过引入二阶变参数锂电池模型建立扩展卡尔曼滤波估计器（Extended Kalman Filter estimator, EKF），然后结合Takagi-Sugeno模糊模型原理，设计Takagi-Sugeno和EKF联合估计器（Takagi-Sugeno and Extended Kalman Filter union estimator, TS-EKF）。最后，在Simulink 仿真平台上验证了SOC 观测方法的准确性和实用性。结果表明，本文所设计的Takagi-Sugeno和EKF联合估计器可以提高SOC观测精度。

• 多级压缩空气储能系统变工况的优化运行控制

  马昕,李珂,张承慧,孙芸馨

  多级绝热压缩空气储能系统以压缩空气储能及热存储技术为基础，具备冷、热、电多种能量存储及供给能力。在多变的复杂工况下，系统能否高效运行，取决于内部能量能否合理分配、系统与负荷间的多能调配是否达到整体最优。本文以储热罐容量为基础，针对系统在不同运行模式下的负荷状况提出了一种针对多级绝热压缩空气储能联供系统变工况输出运行控制策略。首先利用热力学方法分析压缩空气储能系统工作过程，建立系统模块化模型。其次根据系统负荷需求，在“以电定热”及“以热定电”两种工作模式下，分别以储热热量消耗量最小及输出电功最大为优化目标建立优化模型，求解得到不同工况下系统各部件运行参数。以1MW多级绝热压缩空气储能系统为例，进行优化求解。该控制策略有效的解决了多级绝热压缩空气储能系统在变工况下的内部能量调配、系统内部运行参数选取的问题，为实现综合能量源系统高效运行提供指导。

• 微电网中混合储能系统的规划运行一体化配置方法

  李斐,黎灿兵,孙凯,田培根,张春雪,朱曼曼

  目前针对储能容量配置的经济优化算法中，大多都是直接以储能系统的全寿命周期成本作为目标函数。然而微电网作为一个整体，不同的能量调度方案会导致不同的储能配置需求，因此微电网的运行目标也会间接影响到储能系统的全寿命周期成本。本文提出的规划运行一体化配置方法，是从多能互补微电网的整体经济效益出发，将储能系统全寿命周期成本的直接和间接影响因素都考虑在内，建立了计及微电网经济运行的储能全寿命周期成本复合模型。通过算例验证以及与已有方法优化结果的对比分析，说明了所提方法在提升微电网整体经济效益上的有效性，可以为评估微电网中混合储能系统的配置效果提供更全面的参考依据。

• 微电网经济运行的分布式二次电压–频率恢复控制

  董密,李力,粟梅,宋冬然,杨建,李正国

  由于传统下垂控制的特点，微电网中分布式能源的输出电压和频率易受负荷变化的影响. 为此，本文提出了分布式二次电压-频率恢复控制算法，在二次控制层实现电压-频率恢复与同步的同时，提高微电网系统运行的经济性，并减少由于运行时间尺度不一致造成的供需不匹配. 此外，本文提出的控制算法能实现孤岛模式向并网模式转变的无缝切换，能有效应对通讯故障，在极端情况下系统仍能保持稳定. 最后，本文对所提出的算法进行了稳定性证明，并利用仿真和实验验证该算法的有效性和可靠性.

• 冷热电联供系统多目标运行优化(英文)

  张立志,孙波,张承慧,李帆

  冷热电联供系统能够提高能源利用率和减少碳排放，是解决能源和环境危机的重要途径。本文提出了冷热电联供系统多目标优化运行方法，以运行成本日节约率、一次能源日节约率、CO2日减排率综合最优为目标，利用遗传算法求解，得到关键设备的逐时出力计划，并以此为基础，设计了由MATLAB和LABVIEW构成的运行优化器。最后本文基于TRNSYS与LABVIEW搭建了CCHP软硬件混合实时仿真系统，验证了运行优化器的有效性，结果表明本文提出的优化运行方法较传统运行模式，可有效提高冷热电联供系统的经济性、节能性和环保性。

• 多能源系统的最小控制节点集合辨识(英文)

  张一,孙秋野,王睿,董天阳

  本文提出了一种构建能源互联网实际能控的最小控制节点集合方法. 考虑到能源互联网中的负载具有随机变化且无驱动能力特性, 在忽略节点特性获取的最小驱动节点集合的方法基础上, 本文计及网络的节点特征和能控性需求, 首先通过优先匹配算法尽量确保获得的最小控制节点集合不存在无效的驱动节点. 进而, 针对由于网络的拓扑结构原因而导致的部分无效的驱动节点仍旧存在于最小控制节点集合这种情况, 本文提出了增加恰当有向边的算法, 保证最终获得的最小控制节点集合不存在无效的驱动节点. 最后, 48节点耦合多能源系统的最小控制节点集合和最小驱动节点集合节点类型的比较, 验证了我们提出的方法的有效性.

• 电–气互联系统的气电解耦分布式多目标优化调度

  郑宝敏,余涛,瞿凯平,李富盛

  本文基于能源互联网背景建立了一种计及供能成本、碳排放量和负荷曲线平滑度的电-气互联系统多目标优化运行模型，并采用线性化方法将非线性优化模型转化为混合整数线性规划模型。同时，为了在保障各能源网络分散自治权的基础上实现各能源的协同互补利用、提高能源的利用率，提出一种基于气电解耦的分布式多目标优化方法求解该模型。该算法将原系统的多目标优化问题分解为电网和气网的子优化问题，并采用独立的优化器完成子问题的求解，网络之间仅需交换少量边界变量以及虚拟目标因子分别进行全局调整即可获得多目标解。最后，根据修改的IEEE 39节点电力网络和比利时20节点天然气网络搭建模型进行仿真分析并与集中式方法对比，结果验证：所提算法能够以高精度完成电-气互联系统的解耦多目标并行求解，从而提高系统信息私密性、实现各能源网络的分散自治。