[發(fā)明專利]基于Koopman算子的光伏發(fā)電模型預測控制系統(tǒng)

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• 申請日: 2022-05-27
• 公開（公告）號: CN114944669A
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發(fā)明（設計）人: 雍潘曉;郭珺;賈玉斌
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38;H02M7/537;G06F17/16;G06F17/11;G06Q50/06;G06Q10/04
• 代理公司: 北京百年育人知識產(chǎn)權代理有限公司 11968
• 代理人: 葉霖

本發(fā)明提供了一種基于Koopman算子的光伏發(fā)電模型預測控制系統(tǒng)，其中，該方法包括：步驟一：基于光伏電池的基本特性，建立數(shù)學模型，以輸入開關信號和輸出電流及電壓采集數(shù)據(jù)；步驟二：基于所得數(shù)據(jù)集，利用Koopman算子原理，將光伏發(fā)電非線性系統(tǒng)升維，建立高維線性狀態(tài)空間模型，并用擴展動態(tài)模態(tài)分解求解；步驟三：給定參考軌跡，根據(jù)所得高維線性狀態(tài)空間模型構建模型預測控制系統(tǒng)，求解帶特定約束的目標函數(shù)，得到最優(yōu)控制信號，傳輸至原模型，從而使系統(tǒng)輸出跟隨參考軌跡。本發(fā)明基于Koopman算子，利用升維方法將非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)，并結合模型預測控制方法，實現(xiàn)了對光伏發(fā)電系統(tǒng)的有效控制。

技術領域

本發(fā)明涉及光伏發(fā)電系統(tǒng)控制領域，特別涉及一種基于Koopman算子的光伏發(fā)電模型預測控制系統(tǒng)。

背景技術

隨著能源危機與全球環(huán)境污染情勢的不斷惡化，新能源的發(fā)掘與利用受到更多的關注，其中包括光伏發(fā)電技術這一重要領域。光伏發(fā)電主要分布于太陽能豐富、海拔較高和地形復雜的高原地區(qū)。隨著光伏發(fā)電技術的發(fā)展，發(fā)電成本不斷下降，標志著環(huán)境友好型能源取得新的突破。

但是由于光伏發(fā)電控制系統(tǒng)發(fā)展還不夠成熟，存在著設計與運行中的多種問題，主要包括發(fā)電系統(tǒng)非線性控制的難點等。傳統(tǒng)的系統(tǒng)控制方法很難解決非線性系統(tǒng)控制問題，而Koopman算子提供了將非線性系統(tǒng)映射到線性空間的可能性，通過維度的提升，使得非線性系統(tǒng)在線性空間表現(xiàn)出線性特性，由此便可結合線性控制方法。模型預測控制(MPC)因其優(yōu)秀的處理約束最優(yōu)控制問題的能力而受到越來越多的關注。針對這一點，基于模型預測控制的方法是一種具有較高控制性能與精度的方法，其在每一步長中均重新計算最優(yōu)控制問題，能夠較好的預測系統(tǒng)的動態(tài)性能，獲得較高的預測精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種基于Koopman算子的光伏發(fā)電模型預測控制系統(tǒng)，旨在至少一定程度上解決領域中的相關技術問題之一。

本發(fā)明的一個目的在于提出一種基于Koopman算子的非線性系統(tǒng)線性映射方法，該方法能夠使得非線性系統(tǒng)結合線性控制方法。

本發(fā)明的另一個目的在于提出將基于Koopman算子的非線性系統(tǒng)結合線性的模型預測控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高穩(wěn)定的系統(tǒng)預測和控制。

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

基于Koopman算子的光伏發(fā)電模型預測控制方法，包括以下步驟：

步驟1：基于光伏電池的基本特性，利用發(fā)電電壓、電流以及功率等之間存在的聯(lián)系，建立數(shù)學模型，以輸入開關信號和輸出電流及電壓采集數(shù)據(jù)。

并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)是指將光伏陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電，實現(xiàn)與電網(wǎng)連接的系統(tǒng)。主要由光伏陣列，具有最大功率跟蹤功能的逆變裝置及濾波電容、濾波電感、變壓器和控制系統(tǒng)等組成，其原理如圖1所示。

根據(jù)原理圖可以繪出并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

普通電源的輸出電壓與電流關系是線性的，而光伏發(fā)電系統(tǒng)獨特的光伏陣列輸出電壓與電流的伏安特性是非線性的，并且受光照強度、環(huán)境溫度等因素的影響，同時所用逆變器的最大功率跟蹤特性和電壓定向矢量控制及輸出電能的隨機性和波動性較大。所以根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)各組成部分的特點和電氣量的控制關系，在電路圖中引入受控源的概念，在滿足瞬時功率平衡的條件下，有效準確地模擬出光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性。

根據(jù)功率輸出方向的不同，將圖2分解為受控源形式的等效電路圖，如圖3所示。

光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型如下：