海上边际油田微电网的分段仿射系统模型及协调优化控制研究

Facing the urgent energy and environment problems, it has become an important issue of offshore oilfield development to construct a reliable, resource-saving and environment-friendly power supply system. In this project, the wind-diesel-storage hybrid power generation structure is used as an independent power supply mode of offshore oilfield exploitation platform, which forms its independent microgrid. Considering the hybrid characteristics of each unit in the microgrid, the uncertainties of the load or wind power generation as well as the switching delay, the uncertain time-delay piecewise affine system model will be constructed in the project. Based on the model, a set of complete theory evaluation system of the offshore microgrid will be established, including the asymptotic stability and the finite-time stability criterions, as well as the corresponding H∞ controllers design and the solution of multi-objective optimization. This project aims to establish the theoretical evaluation system of offshore oilfield microgrid based on piecewise affine (PWA) system theory, meanwhile, by H∞ controllers design and optimization to guarantee high power quality under the optimal economic and environmental performance.

面对日益突出的能源和环境形势，研发运行可靠、资源节约、环境友好型供电系统成为海上边际油田开发的重要课题。本项目以风柴储混合互补型发电结构作为海上油田开采平台的独立供电形式，形成海上边际油田独立微电网。考虑微电网中各个单元的混杂特性，以及负荷或风力发电引发的不确定性和运行模态切换延时等因素，构造其不确定时滞分段仿射（PWA）系统模型。基于该模型，建立一套海上边际油田微电网的完整理论评估体系，包括各个运行模态的渐近稳定性分析判据、模态切换时状态量的有限时间稳定性判据以及相应的H∞控制器设计方法和多目标优化求解问题。本项目旨在通过PWA系统理论建立海上边际油田微电网的理论评估体系，并通过对H∞控制器的设计和优化保证微电网在经济环保性能最优的情况下提供优质的电能质量。

面对日益突出的能源和环境形式，研发运行可靠、资源节约、环境友好型供电系统成为海上边际油田开发的重要课题。本项目以风柴储混合互补型发电结构作为海上油田开采平台的独立供电形式，形成海上边际油田独立微电网。考虑微电网中各个单元的混杂特性，构造系统的分段仿射系统模型。基于该模型，建立一套海上边际油田微电网的完整理论评估体系，包括各个运行模态的渐近稳定性控制、模态切换时状态量的有限时间稳定性判据以及相应的H∞控制器设计方法和多目标优化求解问题。通过团队对海上钻井平台微电网的调研和分析，建立了其分段仿射子系统模型，并针对能量协调优化指标对切换规则进行设计和优化，达到系统能量传输的综合管控。针对分段仿射系统的特点，引入切换平衡点的概念，以定理形式给出了分段仿射系统的有限时间有界性条件以及镇定控制器的设计方法。分段仿射系统有限时间稳定性的分析和综合判据适用于广义的混杂系统，对具有混杂特性的实际工业系统均具有一定的指导意义。基于该有限时间稳定性分析综合判据和采油平台微电网的分段仿射系统模型，通过柴油机大容量接入对系统冲击的仿真模拟，进一步分析了采油平台微电网系统的有限时间稳定性，实现了系统切换过程造成系统失稳的可判性，对整个系统的运行状态评估提供了科学依据。另外，团队考虑到采油平台微电网中存在多种能量互补形式。在系统约束条件下，结合能量综合管控系统理论对海油开采平台分段仿射系统进行了优化改进。该改进措施大大提高了系统能量的利用率，降低了系统规划的成本。同时，团队对微电网中的负载（潜油电机）和电能转换电路提出观测与控制方法，也得到有效可行的结论，对推进整个微电网的分析和综合起到至关重要的作用。针对以上方面的研究，团队发表ESI论文1篇，中文核心期刊6篇，受理发明专利一项。