非线性PID控制器在超导磁储能装置中的应用

基于非线性比例积分微分PID(Proportional Integration Differential)控制器在设计上具有不依赖于被控系统数学模型的特点,设计了用于电力系统的超导磁储能装置SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage)的非线性PID控制器。概述了非线性PID控制器利用“跟踪-微分器”非线性结构产生控制所需的比例、积分、微分信号的原理。介绍了含SMES的电力系统模型及非线性PID控制器的设计。数字仿真结果验证了所设计的控制器是可行的,同时表明该控制器结构简单、易实现。     

超导磁储能系统抑制风力发电功率波动的研究

建立含超导磁储能装置(SMES)的单机无穷大系统的Phillips-Heffron模型,导出含SMES电力系统总的电磁转矩表达式,从理论上分析SMES对增强系统阻尼的作用.并设计了SMES非线性比例积分微分控制器,数字仿真结果验证了SMES阻尼系统功率振荡的特性,同时表明该控制器具有较好的鲁棒性.     

跟踪微分器在随动系统位置控制中的应用

将微分跟踪器(Tracking Differentiator,简称TD)应用到数字交流随动系统位置信号的处理中,采用TD对指令信号和反馈信号进行跟踪,使之转化为平滑的信号,并对其微分信号进行分离,用于构造前馈控制和误差控制的控制量成分;探讨了采用TD的非线性位置控制器的原理及应用.试验结果表明,该方法简单可行,采用TD的位置控制器可实现信号的预处理,保证了前馈信号和指令反馈的平滑性;同时,采用非线性的PID组合控制,保证了控制器具有很好的控制品质、对不确定对象有良好适应性和鲁棒性,使比例、微分和积分充分发挥出各自的功效,缓解了随动系统中精度和快速性的矛盾,大大改善了系统闭环响应的品质,提高了系统性能.     

一种新型控制器在主蒸汽温度控制系统中的应用

利用一种新型非线性比例积分微分（NLPID）控制器进行反馈控制．并与神经网络前馈控制相结合,对传统的主蒸汽温度控制系统进行改进．以提高其适应性和鲁棒性。仿真研究表明,新控制方案比常规比例积分微分（PID）控制表现出更好的控制品质。     

带有跟踪微分器的无模型自适应控制器

将跟踪微分器加入到无模型自适应控制器中,结合跟踪微分器与无模型自适应控制器的优点,设计出一种适合于诸如非线性、时滞、时变、强耦合等复杂系统的控制器.该控制器利用跟踪微分器安排过渡过程,实现了对强干扰、大时滞系统的快速、无超调控制,并且进行了与非线性PID(proporrtional integral derivative)控制器的对比仿真研究.仿真结果表明:带有跟踪微分器的无模型自适应控制器具有的优点,适合于处理带有强干扰以及时滞系统的控制问题.     

基于反馈线性化的TCSC非线性PID控制

非线性比例积分微分(PID)控制是一种利用非线性跟踪-微分器和非线性组合的方法对线性PID控制器进行改进的新型控制策略,它具有不依赖于被控系统模型的特点,对系统工作点和网络结构的变化具有良好的鲁棒性,而且结构简单、易于实现。在反馈线性化的基础上,将非线性PID理论应用到可控串补(TCSC)的控制器设计中。仿真结果表明:设计的控制器较常规控制器对系统运行具有更好的适应性和鲁棒性。     

一类非线性系统的微分与积分滑模自适应控制及其在电液伺服系统中的应用

针对一类参数不确定的非线性系统，提出了一种微分与积分滑模自适应控制策略。在滑模控制中引入积分控制项，消除了传统滑模变结构控制需要被跟踪信号导数已知的假设，同时基于Lyapunov方法引入参数自适应律，使系统具有优良的抗干扰特点。利用一非线性微分控制减弱了参数自动调整阶段引起的系统抖动。给出了积分滑模控制中切换函数的定义方法，以及非线性微分控制中微分系数的非线性函数表达式。采用该控制方法，对电液伺服系统的液压缸位置进行跟踪控制。仿真结果显示，该方法具有较强的鲁棒性及良好的跟踪性能。     

同步发电机的非线性PID励磁控制

文章将一种非线性ＰＩＤ控制方法引入发电机的励磁控制。该方法通过引入非线性跟踪微分器和ＰＩＤ控制信号的非线性组合,改善了常规ＰＩＤ受一点线性化所产生的缺陷,又保留了常规ＰＩＤ结构简单,鲁棒性强的特点。在计及发电机角速度误差信号和机端电压误差信号的目标函数基础上,ＰＩＤ参数用ＩＴＡＥ法对以变量Δω设计的控制器进行优化,改善了机端电压的品质。该励磁控制方式鲁棒性强,控制品质好,有利于提高系统的暂态稳定性     

用于静止无功补偿器的非线性PID控制器

为了克服常规PID稳定范围较小，适应性及鲁棒性较差及微分信号难于提取等缺陷，应用非线性控制理论，基于非线性跟踪微分器及PID校正的思想，设计了一种用于静止无功补偿器（SVC）的新型非线性PID控制器，这种控制器具有不依赖于被控系统知识的特点，对系统工作点和网络结构的变化具有良好的鲁棒性且结构简单，易于实现，数值仿真结果表明，这种非线性PID控制器的控制品质好，不但能有效地改善电力系统功角稳定性和SVC安装点的电压动态特性，而且具有较强的适应性和鲁棒性。     

混合有源电力滤波器的复合变结构电流控制

针对传统比例-积分-微分(proportional integral differential,PID)控制器不能实现具有周期性特点的电网谐波电流无稳态误差跟踪的特点,提出了一种新的PID型迭代学习控制算法,同时建立了一种模糊规则并利用模糊推理对PID控制器的比例、积分和微分系数进行在线修正,实现对系统的无差控制。在此基础上,为提高系统的响应速度,将PID迭代学习控制与滑模变结构控制有机结合,提出了复合型变结构控制方法。该方法具有响应速度快、控制精度高、易于实现的特点。仿真和实验结果证明了该控制方法的可行性和有效性,效果优于传统PID控制。     

电压型超导储能系统的统一直接功率控制方法

将PWM整流器的直接功率控制方法用于电压型超导储能系统的电压源型换流器，给出了新的开关矢量表，并提出了斩波器的直接功率控制方法。文中的电压源型换流器和斩波器的直接功率控制方法以有功功率为纽带，可对超导储能系统进行一体化的功率控制。仿真结果表明，该控制方法具有良好的控制性能，十分适用于电压型超导储能系统。     

基于SMES的D-STATCOM提升配电网电能质量的研究

配电网位于电力系统终端,直接面向电力用户,因此由电气设备产生的电能质量问题将直接影响配电网的安全运行。为了解决配电网中存在的电能质量问题,本文提出了基于SMES的D-STATCOM组合结构,并提出了相应的控制及优化策略。基于SMES的D-STATCOM能对配电网中的有功、无功功率进行快速补偿,从而有效地控制系统频率和母线电压。通过改进的粒子群算法对基于SMES的D-STATCOM进行参数优化,可以使负荷母线电压、功率波动以及设备成本最小化。仿真结果表明,采用SMES作为储能装置的D-STATCOM较传统的D-STATCOM在配电网中能获得更好的电能质量指标。     

超导储能装置用于改善暂态电压稳定性的研究

建立了超导储能装置(SMES)在暂态电压稳定性分析中的简化数学模型.SMES经双桥系统的电流源型换流电路与电力系统相连.研究了具有快速响应特性的SMES在提高电力系统暂态电压稳定性方面的作用和其无功控制策略,以及采用不等触发角控制时的控制原则.在Matlab平台上编制了暂态仿真程序,对典型3机10母线系统进行了仿真计算.仿真结果表明,超导储能装置安装在动态负荷处,采用无功-电压控制方式能够有效地提高系统的暂态电压稳定性.     

基于输入/输出反馈线性化的SMES控制策略研究

由于超导磁储能系统(SMES)的非线性特性,精准的控制策略是SMES实际应用的基础。文中提出了一种基于新型非线性鲁棒控制的SMES功率控制策略。建立了电压源型SMES的交流侧变流器以及直流斩波器两部分的数学模型。根据反馈线性化原理,设计了SMES基于输入/输出反馈线性化控制策略。仿真结果表明,基于输入/输出反馈线性化控制的SMES对功率指令具有优秀的跟踪能力,同时能够快速稳定直流侧电压。与SMES的经典PI控制策略进行对比分析,所提出的控制策略具有更好的鲁棒性和快速收敛性。     

基于无源控制理论的准Z源超导磁储能系统

超导磁储能(superconductivity magnetic energy storage,SMES)系统通过变流器来实现电网与超导磁体的功率交换。但传统的储能变流器存在输出电压范围有限以及桥臂上下开关易受干扰造成直通而损坏的问题。为实现超导磁储能系统的安全稳定运行,提出了基于双向准Z源变流器(quasi-Z source converter,QZSC)的超导磁储能系统,并针对QZSC-SMES系统的非线性、强耦合特点,在QZSC-SMES系统的交流侧变流器和直流侧斩波器采用基于欧拉?拉格朗日(Euler-Lagrange,E-L)模型的无源控制策略。仿真结果验证了所提QZSC-SMES拓扑及其控制策略的有效性:系统可以快速准确跟踪有功无功指令,相比传统PI控制,系统具有更低的并网谐波含量、更好的动态性能和更强的鲁棒性。     

SMES用电压源型功率调节系统的建模与控制方法研究

以电压源型功率调节系统为对象,研究其建模及其控制方法。首先给出电压源型功率调节系统的结构,包括电压源型变流器和斩波器的主电路拓扑结构及其连接关系;随后导出占空比表达的PCS低频数学模型,并使用非线性变换实现状态方程线性化,基于线性化后的模型给出有功功率、无功功率及直流电压解耦的控制系统设计方法;最后在Matlab/Simulink环境下对PCS功率跟踪能力及SMES装置抑制风电功率波动的效果进行了仿真验证。仿真结果表明：所设计的PCS系统控制器对阶跃和正弦规律变化的功率指令具有优秀的跟踪能力,同时具有较强稳定直流电压的能力,该PCS接口的超导储能装置应用于风力发电系统中,能够达到减小风电功率波动,平息出力的目标。     

Comprehensive Power System Stability Improvement with ROCOF Controlled SMES

Abstract

In order to mitigate most power quality issues in renewable power penetrated systems, load frequency control in automatic generation control based power systems and transient stability concerns in any power system, the deviation in frequency at the point of common coupling is chosen as the driving input for SMES active power control (Δf-control). We report a rate of change of frequency (ROCOF) controlled SMES as a resilient damping device to counter exogenous uncertainties in a wind based multi machine system. Primarily, the ROCOF is contingent on the active power mismatch. SMES reference active power command is issued using a genetic algorithm tuned scheme, participating through ROCOF measurement. The non linear action of SMES is realized by controlling the converter firing angles by a smooth four-zone operation, thus determining the voltage applied across the superconducting inductor. While preserving the dynamics of the DC link and supervising the state of charge (SoC) of the inductor, the effectiveness of the aforementioned control strategy is authenticated by performing non-linear simulations in MATLAB/Simulink. In addition, the dominant modes are also tracked and it is found that the percentage increase in aggregate damping ratio is around 133% using the proposed ROCOF-SMES control.     

Coordinated stabilizing control for large-scale interconnected power systems,by superconducting magnetic energy storage unit and power system stabilizers

The purpose of large-scale power system interconnection is to achieve extremely economical and reliable power generation and transmission. It has established the present power systems of high quality. On the other hand, in the large power systems with complex configuration, an undamped power swing with low frequency caused by the synchronous power between interconnected systems tends to occur as well as an undamped power swing caused by the synchronous power of specific generators. Several coordinated stabilizing control schemes for the power systems by sets of power system stabilizers (PSSs) have been investigated so far. PSS is very effective for the stabilization of power swing among a few specific generators because the function of PSS is achieved by the voltage control using the generator field winding circuit. However, it seems that PSSs do not have sufficient ability to stabilize the power swings between interconnected systems. In this paper, the superconducting magnetic energy storage (SMES) which is significantly effective for the power swings between interconnected systems is introduced and a coordinated power system stabilizing control by SMES and PSSs is proposed. The advantages of the proposed control scheme are: 1) high efficiency of the controller by the distribution of functions; 2) independency of the control design for PSS and SMES; and 3) robustness of the controller, and so on.     

A developed control strategy for mitigating wind power generation transients using superconducting magnetic energy storage with reactive power support

The fast variations of wind speed during extreme wind gusts result in fluctuations in both generated power and the voltage of power systems connected to wind energy conversion system (WECS). This paper presents a control strategy which has been tested out using two scenarios of wind gusts. The strategy is based on active and reactive powers controls of superconducting magnetic energy storage (SMES). The WECS includes squirrel cage induction generator (SCIG) with shunt connected capacitor bank to improve the power factor. The SMES system consists of step down transformer, power conditioning unit, DC–DC chopper, and large inductance superconducting coil. The WECS and SMES are connected at the point of common coupling (PCC). Fuzzy logic controller (FLC) is used with the DC–DC chopper to control the power transfer between the grid and SMES coil. The FLC is designed so that the SMES can absorb/deliver active power from/to the power system. Moreover, reactive power is controlled to regulate the voltage profile of PCC. Two inputs are applied to the FLC; the wind speed and SMES current to control the amount active and reactive power generated by SMES. The proposed strategy is simulated in MATLAB/Simulink®. The proposed control strategy of SMES is robust, as it successfully controlled the PCC voltage, active and reactive powers during normal wind speeds and for different scenarios of wind gusts. The PCC voltage was regulated at 1.0 pu for the two studied scenarios of wind gusts. The fluctuation ranges of real power delivered to the grid were decreased by 53.1% for Scenario #1 and 56.53% for Scenario #2. The average reactive power supplied by the grid to the wind farm were decreased by 27.45% for Scenario #1 and 31.13% for Scenario #2.