一种多储能系统的一致性控制方法及其控制系统与流程

1.本发明涉及一种多储能系统的一致性控制方法及系统，属于电气与控制系统设计的交叉领域。


背景技术：

2.进入21世纪以来，多系统的一致性控制在控制界引起了广泛的关注。这个领域内的早期研究主要集中在具有线性系统的控制对象上。但在实践之中，系统具有不确定性并且可能受到干扰，在这种情况下，整个系统的同步有时是不必要的，也是不可能的。近年来，随着以电池与电容为代表的储能系统的广泛应用，储能系统间的一致性控制变为了研究的热点。由于储能系统输入输出具有非线性特性，因此非线性多系统的输出同步问题引起了研究者的广泛关注。
3.在过去的几十年间，针对单一非线性系统的镇定或渐近跟踪问题，人们提出了各种各样的控制器。在此基础之上，研究人员研究了多重严格反馈系统的一致性控制，其中系统的未知参数由状态更新器来进行估计，并且在多个系统的动态变化中考虑了不确定的控制方向。通过在控制器中加入nussbaum函数，并加入非线性阻尼部分来改善性能。但是由于部分系统的输入存在死区特性，因此对多个系统的输出可控性方面存在着控制难题。


技术实现要素：

4.本发明将具有死区非线性的单系统跟踪方法推广到多相互作用系统中，提供一种考虑系统死区、无需了解系统非线性特性的多储能系统的一致性控制方法及其控制系统。
5.为了达到上述目的，本发明具体技术方案如下：
6.一种多储能系统的一致性控制方法，所述多储能系统中的每个储能系统是具有死区特性的非线性储能系统，数学模型表示为：
[0007][0008]
yi＝x
i1
[0009]
其中，i＝1,2
…
,n是多储能系统中储能系统的数量，n是每个储能系统获取的状态量的数量。为系统状态量，为对应导数，是非线性储能系统的输出，bi＞0是高频增益，是描述系统状态量的一组光滑有界的函数，其中di(t)是有界的外部干扰，是未知的参数向量，表示具有死区非线性特性的输入的控制输入。
[0010]
所述一致性控制方法包括以下步骤：
[0011]
(1)获取当前时刻每个储能系统的状态量
[0012]
(2)根据获取的状态量计算每个储能系统的控制输入
[0013][0014]
其中，b
ir
≥0，b
il
≤0，mi＞0为三个常量，为上式输入，为虚拟控制变量，表示如下：
[0015][0016]
其中a
ij
表示多储能系统的加权邻接矩阵a中的元素，a1,
…
,an＞1是控制增益，表示与储能系统i邻接的储能系统构成的集合，是对ei＝1/βi的估计，βi＝bimi＞0，bi为系统高频增益，是对边界的估计，更新率为：
[0017][0018][0019]
γ,η＞0为系统控制增益常量，ξ
i1
,...,ξ
in
是储能系统i与相邻储能系统j的输出误差，可通过以下方式求解：
[0020][0021]
和分别表示了θi的动态自适应更新参数和其邻域θj的动态更新参数，更新率如下：
[0022][0023][0024]
γ1,γ2是两个调谐增益。
[0025]
其中中间函数f
i1
,
…
,f
in
,通过以下公式计算获得：
[0026]fi1
＝0
[0027][0028][0029][0030][0031][0032][0033][0034][0035]
其中m＝3,
…
,n。
[0036]
(3)根据控制输入量结合系统的数学模型，获得每个储能系统的每个状态量的控制目标，根据每个状态量的控制目标，控制每个储能系统的状态量，使每个储能系统的输出一致。
[0037]
进一步地，所述系统状态量包括：电压、电流等。
[0038]
一种应用于多储能系统的一致性控制系统，包括一个或多个处理器，用于执行上述任一项所述多储能系统的一致性控制方法。
[0039]
本发明的有益效果为：
[0040]
本发明方法和系统可以用于非线性多储能系统的一致性控制，对未知系统的参数与死区特性无需做预先了解，即可做到对多系统输出的一致性控制，保证每个系统的输出可控，提高了控制方法的适用性。
附图说明
[0041]
图1是串联电容模型图。
[0042]
图2是电容电压输出波形图。
[0043]
图3是对未知参数θi的估计的变化图。
[0044]
图4是对1/βi的估计变化图。
[0045]
图5是对动态系统的边界的不确定性估计。
具体实施方式
[0046]
本发明提出了一种应用于多储能系统的一致性控制方法，该方法通过引入图论的方法，考虑多个系统的协同，实现了在无需知道系统输入的非线性特性，多个具有死区特性
的储能输入系统的一致性控制。
[0047]
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0048]
所述多储能系统中的每个储能系统是具有死区特性的非线性储能系统，考虑到非线性多系统的特性，首先对多储能系统进行数学建模，具体如下所示：
[0049][0050]
yi＝x
i1
[0051]
其中，i＝1,2
…
,n是多储能系统中储能系统的数量，n是每个储能系统获取的状态量的数量。为系统状态量,可以为电压、电流等，为对应导数，是非线性储能系统的输出，bi＞0是高频增益，di(t)是有界的外部干扰，是未知的参数向量，是描述系统状态量的一组光滑有界的函数，其中有界的函数，其中表示具有死区非线性特性的输入的控制输入，具体可表示为：
[0052][0053]
其中，vi是上式的输入，b
ir
≥0，b
il
≤0，mi＞0为三个常量。
[0054]
对于所建立的非线性多储能系统，其控制目标是通过各储能系统的邻接关系，设计合适的输入使得各个系统的输出均稳定可控。和分别表示了θi的动态自适应更新参数和其邻域θj的动态更新参数。是对边界的估计。xi表示储能系统i自身状态，储能系统i相邻储能系统的状态信息。
[0055]
对于包含n个储能系统的系统，对应每个单独的储能系统i，分别设置一个一致性控制器，如以下形式：
[0056][0057]
其中sgn是符号函数，表示与储能系统i邻接的储能系统构成的集合，是对ei＝1/βi的估计，βi＝bimi＞0，bi为系统高频增益，是对边界的估计，更新率(对应导数)如下：
[0058][0059][0060]
γ,η＞0为系统控制增益常量，γ,η＞0为系统控制增益常量，是虚拟控制变量，参数更新公式如下：
[0061][0062]
是的导数，是的导数。
[0063]aij
表示多储能系统的加权邻接矩阵中的元素，表示储能系统i与储能系统j的邻接关系。
[0064]
其中f
i1
,
…
,f
in
,为中间函数，通过以下公式计算：
[0065]
[0066][0067][0068]
其中m＝3,
…
,n；a1,
…
,an＞1是控制增益，γ1,γ2是两个调谐增益。
[0069]
由此，通过实时获取当前时刻每个储能系统的状态量根据获取的状态量利用一致性控制器计算每个储能系统的控制输入最后将控制输入量代入系统的数学模型，获得新的状态量即为每个储能系统的每个状态量的控制目标，根据每个状态量的控制目标，控制每个储能系统的状态量，使多储能系统中，每个储能系统的输出一致。
[0070]
进一步地，对于第一个储能系统，定义初始步如下所示：
[0071][0072]
其中x1＝[x
11
,
…
,x
n1
]
t
，l为系统无向图的拉普拉斯矩阵，由于l＝l
t
≥0，可得到w1对时间的导数为
[0073][0074]
其中是储能系统i与相邻储能系统j的输出误差；定义可将上式改写为：
[0075][0076]
定义能量函数为
[0077][0078]
其中求其导数，可得：
[0079][0080]
对于第二个储能系统，有
[0081][0082]
其中，为已知量，未知参数仅存在于θi之中。将与带入上式，有
[0083][0084]
其中定义
[0085][0086]
可以推出
[0087][0088]
对于第m(3≤m≤n)个储能系统，有
[0089][0090]
定义
[0091][0092]
其中可得到vm对时间的导数为
[0093][0094]
对于第n个储能系统，相似的，可以得到
[0095][0096]
证明当t
→
∞时证明过程如下：由于v≥0，因此变量是有界的，是一致连续的，并且满足当t
→
∞时，考虑到ξ1＝[ξ
11
,
…
,ξ
n1
]
t
＝lx1，null(l)＝span{1n}，因此当t
→
∞时有x1(t)＝[x
11
(t),
…
,x
n1
(t)]
t
∈span{1n}，从而完成证明：本发明控制方法可以保证每个系统的输出可控，且估计的参数有界。
[0097]
进一步地，还提供一具体实施例，将该方法应用在对由超级电容器构成的多储能系统的电压控制上。超级电容器的连接拓扑图如图1所示，四个电容器相互串联连接，由于电子元件的特性，每个超级电容的输入具有死区非线性特性。通过综合分布式自适应控制来解决超级电容的输出一致性问题。
[0098]
对于每个超级电容器，采集其电压作为系统的状态量,构建如(1)所示的模型。由于元件的电子特性，电容器的输入具有死区非线性，设定其控制输入如下所示：
[0099][0100]
给定参数为mi＝1,b
ir
＝0.7,b
il
＝-0.7。四个超级电容器的初值分别设计为：x1(0)＝2,x2(0)＝1.5,x3(0)＝2.7，x4(0)＝1.7。建立如(3)～(4)形式的控制器，设置控制增益为γ1＝1；a1＝5；γ＝2；η＝3，系统参数为：θ1＝1.2；θ2＝1.5；θ3＝0.8；θ4＝2，更新率的其余参数初始值均设置为0。根据模型结合控制器的输出，最终获得每个超级电容器的每个状态量的控制目标x1(t),x2(t),x3(t)，x4(t)，控制每个超级电容器的状态量，使每个超级电容器的输出一致，本实施例中，输出即为超级电容器的电压。
[0101]
仿真结果如图2至图5所示。图2表明超级电容器的电压最终稳定于相同的数值，图3、4分别是对未知参数θi的估计和1/βi的估计的输出。可以看到，两个输出最终都保持有界且稳定。图5展现了对未知参数的边界的估计，结果显示其也是有界的。
[0102]
与前述一种多储能系统的一致性控制方法的实施例相对应，本发明还提供了应用于多储能系统的一致性控制系统的实施例。
[0103]
本发明实施例提供的一种应用于多储能系统的一致性控制系统，包括一个或多个处理器，用于实现上述实施例中的多储能系统的一致性控制方法。
[0104]
本发明一种应用于多储能系统的一致性控制系统的实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或装置。
[0105]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。