控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2022年第3期

• 单相电力电子变压器整流级新型直接功率控制策略

  宋平岗,连加巍,陈怡

  针对传统dq电流解耦双闭环控制的单相级联H桥整流器受系统电感参数变化的影响, 同时为避免系统频率偏移的干扰, 提出了一种无需电感参数和系统角频率的新型直接功率解耦控制器, 实现了有功、无功功率的独立控制. 并利用级联延时信号消除算法提取基波正序分量, 消除谐波信号带来的影响. 在MATLAB/Simulink中搭建了三级联H桥整流器进行仿真分析, 仿真结果验证了所提控制方法下直流侧电压波动小, 系统响应速度快, 谐波抑制能力强的特点.

• 高灵敏度和高区分度电压暂降能量指标研究

  谭敏刚,张潮海,陈斌

  现有电压暂降能量指标(sag energy index, SEI)的定义中仅使用电压参数, 用于电压暂降严重程度评估时灵敏度和区分度较低. 结合电压暂降期间的故障电流、故障电压和稳态电流, 提出一种电压和电流融合的新型SEI; 构建电压暂降传播模型, 从理论角度对比分析现有SEI和新型SEI在故障电阻、故障距离方面的灵敏度和区分度; 基于典型电网拓扑, 验证新型SEI在电压暂降严重性评估时灵敏度和区分度的优越性, 利用蒙特卡洛模拟预估法, 验证新型SEI用于电网电压暂降严重程度评估的有效性. 结果表明: 新型SEI克服了现有SEI灵敏度和区分度方面的不足;利用新型SEI可有效评估电网的电压暂降严重程度, 有助于电网脆弱区域的识别.

• 改进并行粒子群算法用于冷却水系统节能优化

  于军琪,高之坤,赵安军,周敏,虎群

  针对冷却水系统优化问题提出一种改进并行粒子群(IPPSO)算法, 以系统能耗最小为优化目标, 以系统中各设备的运行参数为优化变量进行求解. 在该算法中, 采用随机和混沌序列机制分别对两个种群的粒子进行初始化, 使两种群在产生初期便具有不同特征; 并根据两种群特点, 采用不同惯性权重改进策略, 提高算法搜索能力; 同时利用一种新迁移算子对种群间个体进行交换, 增强粒子多样性, 使种群向更高层次进化; 此外, 考虑到系统设备运行数量为整数且受到系统设计总台数的限制, 引入穷举法机制对系统中设备部分运行参数进行求解, 减少最优解验证工作量, 缩短优化时间. 最后对某实际冷却水系统进行了详细测试, 结果表明, 使用IPPSO算法对设备运行参数优化后, 冷却水系统总能耗降低12.49%, 具有较好的节能效果. 同时相比于其他算法, IPPSO能得到更好的优化策略,且在收敛性、计算复杂度和鲁棒性方面具有优势.

• 用于永磁同步电机周期性转速脉动抑制的重复控制

  张巧芬,刘彦呈,郭昊昊,张峰魁,郭晨

  本文针对电流测量误差、逆变器死区效应等非理想因素造成永磁同步电机转速周期性脉动的问题, 在转速外环设计插入式转速自适应重复控制器, 实现对电机转速的平滑稳定控制. 首先, 分析各种非理想因素引起永磁同步电机稳态转速周期性脉动的机理. 其次, 为保证附加转速自适应重复控制器后的系统稳定性, 设计零相位FIR低通滤波器、线性相位补偿器和重复控制器增益系数. 在此基础上, 引入fal函数, 解决附加重复控制器导致的系统动态调节过程超调过大问题. 实验结果验证了本文所提方法的有效性.

• 钻井溢流风险的自适应LSTM预警方法

  王钰豪,郝家胜,张帆,魏强,彭知南,段慕白

  溢流会对油田的勘探过程造成严重的影响, 众多钻井平台采取人工坐岗预警, 十分依赖坐岗人员的积累经验, 导致误报率和成本较高, 因此迫切需要提高溢流预警的效率和质量. 研究表明, 将深度学习方法引入钻井能够有效提高溢流预警的准确性. 然而, 溢流发生的频率较低, 不同井之间具有差异性, 可获取的训练样本有限, 这些因素都限制了当前预警算法的应用. 针对上述问题, 本文提出了一种自适应的长短期记忆网络(LSTM)溢流预警算法, 该算法利用滑动窗口法扩充数据集, 计算平均值增量实现不同井数据的自适应特征提取, 进而屏蔽不同井的差异性,提高了算法的通用性. 模型在离线验证以及现场溢流的早期预警上表现优良, 与专家的经验标注保持了较高的一致性, 均提前于操作人员的记录日志. 模型的应用减轻了坐岗人员的负担, 确保了溢流预警的效率与质量, 对提高钻井工程溢流预警水平具有积极意义.

• 考虑充放电不平衡的风电功率平滑电池分组控制

  张小莲,陈冲,张仰飞,郝思鹏,孙啊传,武启川

  平滑风电场输出功率能够有效减小风电场并网对电力系统的影响. 为改善电池分组控制实现风电功率平滑过程中的电池组充放电能量不平衡问题, 本文基于充放电不平衡度和寿命衰减指标, 分析得出了电池分组控制充放电不平衡状态与电池寿命衰减之间的定量关系. 在此基础上, 针对充放电不平衡问题提出了一种考虑充放电不平衡的改进控制策略. 根据低通滤波算法输出的并网目标功率控制电池组的出力, 并依据电池组的不平衡度指标以及荷电状态实时修正滤波时间常数, 以维持电池组的平衡状态. 最后, 通过MATLAB/Simulink仿真和风–储实验平台,验证了所提控制策略在风电功率平滑方面的有效性, 并且在改善电池组的不平衡度、充放电深度以及提高电池的使用寿命上具备明显优势.

• CEEMDAN在变压器振动信号提取中的应用

  尚海昆,许俊彦,李宇才,林伟

  有效提取变压器振动信息对于识别变压器运行状态具有重要的现实意义. 本文提出一种基于自适应白噪声完整集成经验模态分解(CEEMDAN)的变压器振动信号分析方法. 论文首先采用CEEMDAN将原始变压器振动信号分解成有限的固有模态分量(IMF), 之后利用相关系数(CC)提取有效的IMF分量. 最后, 将提取出的有效IMF分量进行信号重构得到消噪结果. 仿真及实测信号分析表明, 该方法能够较准确实现信号消噪, 成功提取出变压器振动信号的有效信息, 验证了该方法的有效性和实用性.

• 基于优化模拟电荷法的直流输电线路电场特性计算

  于建立,张迎栋,程龙,鲁志伟

  为了提高模拟电荷法计算电场的精度并降低其计算复杂度, 采用黄金分割法对模拟电荷法进行优化, 提出了一种精度高且易实现的模拟电荷设置方法. 应用该模拟电荷法计算了直流输电线路导线表面电场, 采用“化曲为直”法绘制了电场线轨迹. 在此基础上, 基于通量线法对比分析了分裂导线表面最大场强在不同取值方法下求解合成电场和离子流密度时带来的计算结果差异. 结果表明: 此优化模拟电荷法计算电场精度高, 并能随导线参数的变化灵活调整模拟电荷的设置;“化曲为直”法绘制电场线轨迹, 可避免地面电场水平分量为0时微分方程结果不收敛的问题; 用分裂子导线表面最大场强的平均值与其中最大值所得合成电场和离子流密度的最大值分别相差10%和30%以上, 前者所得结果与实测值更为吻合. 研究结果可为输电线路的设计及运维提供理论参考.

• 基于风速估计的风力机状态反馈滑模容错控制

  马磊明,肖玲斐,姜斌

  针对风力机变桨距执行机构突变故障, 提出了基于风速估计的自适应状态反馈滑模容错控制策略. 首先,设计了基于自适应状态反馈滑模理论的鲁棒主动容错控制器, 并结合全阶补偿器对控制律进行设计; 然后, 利用基于变速灰狼优化算法的组合径向基函数神经网络实现风速估计, 可以改善风速测量精度并提高控制系统可靠性;最后, 根据线性矩阵不等式和Lyapunov理论对控制器稳定性进行讨论, 并与现有控制策略进行比较. 仿真结果表明,在健康/故障的变桨距执行机构条件下, 所提容错控制方法均能获得较好的控制效果.

• 应用于光储系统中的改进型扰动观察MPPT算法

  郑含博,杜齐,郭文豪,唐钰本,崔耀辉,覃团发

  本文提出了一种改进的步长可变、稳态时无振荡的扰动观察MPPT算法, 该改进算法在保持基本的扰动观察法简单以及便于实现特点的同时, 还能停止稳态振荡并具备良好的追踪速度. 该算法首先通过变步长实现快速跟踪最大功率点, 当确定到达稳态之后, 停止人工扰动, 实现无振荡稳定输出功率, 从而减少因振荡造成的功率损耗,提高了整个系统的效率. 当外界环境突变时, 该算法运用三点测量法可以根据电压、电流值的突变检测出工作条件的变化, 并重置参数, 从而降低重新追踪最大功率点的时间. 由于光伏发电的随机性与波动性, 通常将储能电池与光伏组件相结合, 构成光储混合系统. 为了结合实际, 本文在MATLAB/Simulink中进行了光储混合系统的仿真与试验,试验结果验证了所提算法的性能.

• 基于多主体博弈的综合能源系统运行优化方法

  王永利,刘振,薛露,蔡成聪,刘琳

  30·60双碳目标的实现, 要求可再生能源的大规模消纳, 因此构建可大幅就地消纳可再生能源的综合能源系统具有重要意义. 在此背景下, 本文提出了一种基于合作博弈的综合能源系统运行优化方法, 能够有效降低系统用能成本和碳排放, 激励不同主体参与系统整体协调优化运行. 本文在考虑系统运行成本和二氧化碳排放量的基础上, 建立了综合能源系统合作博弈模型, 采用改进的NSGA–II算法求解, 大幅提高了算法的综合性能, 并提出一种改进的Shapley值法对综合能源系统中各主体利益进行分配. 通过算例进行仿真分析, 结果证明文章提出的合作博弈模型能够有效降低系统总用能成本, 同时减少了二氧化碳排放量, 提出的利益分配方法有效可行.

• 基于FDD–HSM方法的复杂拓扑供热管道动态等值建模

  胡阳,简睿妮,房方

  含热电联产机组的区域电热联合供给系统日益受到重视, 供热管网动态建模是其优化运行的重要基础. 基于管道热力输运原理及其运行数据, 提出一种有限差分域–混合半机理(FDD–HSM)动态建模方法. 首先, 简化复杂拓扑供热管道为单一管径、直管段的简单拓扑形状并给出低阶等值机理模型结构. 其次, 考虑低阶机理模型输入–输出延迟阶次, 定义有限差分回归向量并提出有限差分空间概念, 采用高维聚类和超平面估计实现其紧致凸划分并获得若干有限差分工作域. 然后, 提出混合半机理建模方法, 在各工作域辨识机理模型参数, 并增设长短期记忆神经网络偏差动态补偿项, 实现任意精度逼近. 最后, 基于某区域热网管道实测运行数据验证了所提方法的有效性及准确性, 所得多工作域–线性低阶机理模型可广泛应用于热网快速仿真、数值优化及控制设计.

• 考虑温度舒适度与碳交易的综合能源系统优化调控

  姜河,周航,解相朋,杨东升,赵琰

  综合能源系统可以实现多能互补、能源梯级利用, 但设备间复杂的耦合关系对新能源消纳与源荷波动平抑带来了极大挑战. 针对此类问题, 本文提出基于舒适度的温差储能与阶梯奖惩碳交易机制的调控模型. 首先, 在电价需求响应的基础上, 构建由舒适度划分的冷热需求响应的温差储能模型. 其次, 建立以系统运行成本与碳排放量最低为目标的综合调控模型, 在优化供给侧设备出力的基础上提高用户响应能力, 并考虑多种能量转换设备以提升系统运行的多能互补能力. 最后, 通过Gurobi求解器进行算例仿真, 验证了该模型的可行性与有效性.

• 质子交换膜燃料电池系统数字孪生故障诊断模型研究

  朱静,赵静欣

  基于数字孪生的平行故障诊断方法通过检测和评估真实系统与数字孪生系统之间的残差进行故障诊断,相关数字孪生体基于质子交换膜燃料电池动力学模型和数据集合建立. 如果残差向量超过故障检测阈值, 则利用故障残差的相对敏感度执行故障隔离. 本文将平行故障诊断方法引入质子交换膜燃料电池系统, 构建了基于数字孪生估计器的平行故障诊断模型. 仿真结果验证了所提出方法的有效性. 本文最后给出质子交换膜燃料电池数字孪生故障诊断系统的物理架构, 可以实现数据高效、稳定地传输与分析, 为燃料电池的安全运行提供保障.

• 多区域互联综合能源系统的双层博弈优化运行

  高丙团,陈晨,李远梅,秦艳辉

  为保障用户日益增长的能源消费需求、提高能源利用率, 本文面向多区域综合能源系统, 考虑综合需求响应, 提出基于聚合商和用户双层博弈的优化运行方法. 在包含聚合商、用户、综合能源系统和能源互联网络的多园区综合能源系统架构的基础上, 建立了包括下层用户间非合作博弈和上层聚合商联盟合作博弈的双层博弈优化模型. 其中, 上层聚合商以多区域综合能源系统总运行成本最低为目标进行合作博弈, 下层用户以自身能耗消费成本最低为目标进行非合作博弈. 算例分析表明, 采用双层博弈模型后, 不同类型的用户的能耗消费成本都有了不同程度的降低, 优化后的能耗曲线使得各区域综合能源系统运行成本降低13%以上, 实现了系统内部各利益体共赢.

• 基于测试和运行数据的新能源快速调频参数动态修正算法

  柯贤波,程林,牛栓保,张振宇,韩华玲,贾一超

  随着新能源发电接入电力系统比例的不断提升, 电力系统对新能源发电参与系统一次调频提出了具体要求. 频率调差系数是评估新能源电站一次调频调节量的重要指标, 系统对于新能源电站的调差率是预设的. 然而系统发生频率波动时, 无法预知新能源电站的运行状态, 单一控制参数下新能源电站无法保证调频量满足系统需求.鉴于此, 本文提出了基于调频量闭环控制的新能源电站一次调频控制参数动态修正方法, 根据新能源电站的运行状态, 动态调整其频率调差系数, 使得新能源电站运行在不同状态下均可以满足调频要求, 支撑系统频率稳定性.

• 基于火用经济学的分布式供能系统分析评价方法

  陈锦彬,陈皓勇,陈思敏,刘欣,赵振东,陈健润

  对分布式供能系统的性能进行准确而全面的分析评价, 是分布式供能系统进一步发展的重要环节. 能源互联网背景下, 分布式供能系统变得越来越复杂, 其分析评价方法面临巨大挑战. 本文首先基于火用经济学理论, 建立了分布式供能系统统一分析模型; 其次, 提出了综合考虑火用效率和火用损作为分布式供能系统能耗特性评价指标, 火用损成本和火用经济系数作为经济特性评价指标的分析评价方法, 并设计了分析评价的流程; 最后, 以某供电局分布式供能系统为算例, 验证了所提模型和分析评价方法的优越性. 结果表明, 本文提出的统一分析模型和分析评价方法对系统投资决策、优化设计和运行优化具有指导意义.

• 电流频谱Hurst指数在串联电弧故障检测中的应用

  江军,李威,李波,马径坦,张潮海

  串联电弧故障因故障电流小、随机性强, 难以被普通保护电器所检测和切除. 本文基于已有的Mayr电弧模型增加了弧柱电感、间隙电容和压控随机开关以模拟电弧高频特性, 从而构建了不同类别典型负载的精细化电路模型. 实验证实所建负载模型和电弧模型的仿真数据较好拟合了相应的实验结果, 在此基础上将仿真波形重构为二维矩阵, 提取矩阵奇异值之比作为时域特征; 提取02500 Hz内归一化谐波幅值波形的Hurst指数作为频域特征; 选取隐层节点数为17的单隐层BP网络实现了串联电弧故障诊断, 总体准确率达到93.9%. 检测方案在STM32F767平台上运行时间仅19.85 ms, 符合UL–1699中实时性指标要求. 本文提出的检测方案具有计算量相对较小、特征简洁、准确率高等优势, 有助于串联电弧检测和有效辨识的工业应用.

• RPS下园区能源互联网联盟区块链电力交易策略

  张力菠,童立敏

  能源互联网的快速发展及可再生能源的高比例接入对电力交易提出了新的要求. 针对传统电力交易模式与能源互联网背景下市场化电力交易的不匹配, 以园区能源互联网为对象, 考虑可再生能源配额制(RPS)的影响, 借鉴已有研究, 提出了一种基于联盟区块链的园区能源互联网弱中心化电力交易模式, 以分布式共享账本的方式应对传统电力交易过于中心化而不够灵活的不足, 同时强化“弱中心化管理”, 在一定程度上解决区块链去中心化带来的安全性不足的问题, 进一步针对异质主体间的电价博弈协商, 构建了上述交易模式下园区能源运营商与电力用户之间的讨价还价博弈模型, 探讨交易主体收益均衡下的电价策略. 最后以江苏省某示范园区能源互联网为例, 验证交易模式及模型的有效性.