[发明专利]基于MPC和PI控制方法的带电动汽车的微网调频方法

摘要

本发明采用了一种基于MPC和PI控制方法的带电动汽车的微网调频方法。本发明充分利用电动汽车车载电池本身作为一种储能装置的特性，并在电动汽车入网技术（V2G）的支持下，将其参与到微网频率调节中来以补偿微网孤网运行时自身负荷频率控制的不足。在本发明方案中，每一个控制周期，首先通过状态观测器得到当前时刻系统的状态量，采用MPC控制器进行求解最优控制输入变量及其相应的预测状态量，求解结果用来优化PI控制器中的参数，即重新设定比例参数和积分参数。最后，采用优化了控制参数的PI控制器实现对微网频率的调节控制，直达下一个控制周期的到来。本发明能够实现较好的控制效果、并具有全局鲁棒性能和较强的可靠性能。

主权项

一种基于MPC和PI控制方法的带电动汽车的微网调频方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：检测被控微网的各个组件的系统参数，包括各电动汽车充放电站的系统参数并分析各个微网组件的负荷频率控制特性，确定系统状态量，并根据检测到的系统参数得到考虑线性连续时间系统的状态空间模型，该状态空间模型基于以下公式：将连续系统转化为线性离散时间系统，则线性离散时间系统的状态空间模型可表示如下：其中是状态变量；是控制输入变量；是被控输出变量；其中Ts是系统采样时间；为了引入积分以减少或消除静态误差，将式二改为增量模型：其中，步骤2：采用MPC控制器读取当前控制周期内的状态量，进行预测控制，求解预测时域内最优控制变量，具体包括：步骤2.1：状态监测，PMU测量系统的实时状态信息，即各状态量的值，由MGDS进行收集整理，并将数据发送至MPC控制器；步骤2.2：预测未来；根据MGDS收集处理的实时状态信息，MPC控制器根据状态空间方程预测输出偏差Δyc的动态，具体方法是：根据预测控制的基本原理，首先以步骤2.1得到的最新测量值为初始条件，基于式三预测系统未来的动态；为此，设定预测时域为p，控制时域为m且m≤p；并定义：定义一：控制时域之外，控制变量不变，即Δu(k+i)＝0,i＝m,m+1,…,p‑1；定义二：可测干扰在k时刻之后不变，即Δd(k+i)＝0,i＝1,2,…,p‑1；定义一是因为控制时域有可能小于预测时域，而预测系统未来动态需要在整个预测时域的控制输入；定义二是因为在当前k时刻，尚未获取干扰的未来取值；在当前时刻k，测量值为x(k)，计算Δx(k)＝x(k)‑x(k‑1)；这个Δx(k)将作为预测系统未来动态的起点；由式三预测k+1到k+3时刻的状态增量如下：Δx(k+1|k)＝AΔx(k)+BuΔu(k)+Bd(k)Δd(k)         式七上式中，k+1|k表示k时刻对k+1时刻的预测；符号|后面的k表示当前时刻为k；进而，可以预测k+m至k+p时刻的状态进一步，预测k+1至k+p的被控输出yc(k+1|k)＝CcΔx(k+1|k)+yc(k)＝CcAΔx(k)+CcBuΔu(k)+CcBdΔd(k)+yc(k)  式十一定义p步预测输出向量和输入向量m如下：Yp(k+1|k)=defyc(k+1|k)yc(k+2|k)...yc(k+p|k)p×1,ΔU(k)=defΔu(k)Δu(k+1)...Δu(k+m-1)m×1]]>那么，对系统未来p步预测的输出可以由下面的预测方程计算：Yp(k+1|k)＝SxΔx(k)+Γyc(k)+SdΔd(k)+SuΔU(k)      式十五其中：步骤2.3：最优控制决策，基于步骤2.2的预测输出结果，MPC控制器根据目标函数以及约束条件求解最优控制量；系统输出的参考轨迹一般是可以确定的；由于扰动因素，系统实际输出和预测结果有误差，可定义二次型性能指标函数，找出满足J最小的最优控制输入序列Δu(k|k),…,Δu(k+m‑1|k)；其中，qi和ri是权重系数；yr(k+i|k)为系统输出参考轨迹；若将Δu(k|k),…,Δu(k+m‑1|k)用向量表示为ΔU(k|k)则：J＝[E(k)+SuΔU(k|k)]TQ[E(k)+SuΔU(k|k)]+ΔU(k|k)TRΔU(k|k)       式十七其中，E(k)＝SxΔx(k)+Γyc(k)+SdΔd(k)，然后将式十七展开得到：J＝E(k)TQE(k)+E(k)TQSΔU(k|k)+ΔU(k|k)TSTQE(k)+ΔU(k|k)TSTQSΔU(k|k)+ΔU(k|k)TRΔU(k|k)     式十八注意到E(k)TQSΔU(k|k)＝ΔU(k|k)TSTQE(k)，而且E(k)TQE(k)这一项与控制输入量无关，则式十八可写成：其中，H＝2[STQS+R]，f(k)＝2STQE(k)，可把系统状态量和系统输出量都看成是系统控制输入的函数，由系统控制输入决定，定义U＝[u(k) u(k+1) … u(k+N)]T，则上述问题也就变为：其中，G为不等式约束矩阵线性，最优控制决策就是对上式二十的二次规划问题的求解；步骤3：根据步骤2求解到的最优控制变量及其相应的预测状态量，采用最小二乘法求解当前控制时域内的PI控制器的最佳控制系数，比例系数和积分系数并更新PI控制器的控制系数；考虑到PI控制器有如下控制规律：其中，r为系统输出参考量；显然有：则可根据步骤2得到的最优解求解其对应的状态量通过最小二乘法求取当前预测时域内T内最佳的比例、积分系数；步骤4：在当前控制周期内，采用更新了控制系数的PI控制器实现对微网频率的调节控制。