基于直接合成法的PIDD2控制器设计优化微电网系统负载频率控制

针对微电网系统负载频率控制（LFC）中时间延迟导致的稳定性问题，研究人员提出了一种新型比例-积分-微分加二阶导数（PIDD2）控制器，采用直接合成法（DSM）进行参数优化。该控制器通过引入时间延迟兼容乘子，显著提升了系统抗干扰能力，在蒙特卡洛模拟中实现了ITAE指标55.22%的改善和99.99%的随机负载适应性，为可再生能源微电网的稳定运行提供了高效解决方案。

　　

随着可再生能源（RES）在微电网（MG）中的大规模应用，负载频率控制（LFC）面临时间延迟、参数波动和随机负载变化等严峻挑战。传统PID控制器易产生超调、响应慢，而模糊逻辑和元启发式算法存在规则依赖性强、计算成本高等缺陷。尤其当微电网集成燃料电池（FC）、柴油发电机（DG）等多元能源时，频率偏差会引发储能设备频繁充放电，缩短其寿命并降低系统效率。

为解决这些问题，研究人员开发了基于直接合成法（DSM）的比例-积分-微分加二阶导数（PIDD²）控制器。该设计创新性地引入时间延迟兼容乘子，通过解析调参方法避免重复优化，并采用积分时间绝对误差（ITAE）作为性能指标。研究利用包含FC、DG、光伏（PV）和飞轮储能（FESS）的微电网模型，在四种时间延迟场景下进行验证。结果显示，该控制器使ITAE指标最高提升55.22%，超调减少33.73%，且在蒙特卡洛模拟中对参数不确定性的鲁棒性显著优于现有方法。

关键技术包括：1）构建含时延的MG线性化模型；2）基于DSM推导PIDD²解析参数；3）采用ITAE指标优化控制器性能；4）利用真实PV和风电数据验证随机负载适应性；5）通过蒙特卡洛模拟评估参数不确定性下的稳定性。

微电网系统模型
研究建立包含FC、DG、PV、电池储能（BESS）和FESS的MG线性模型，重点分析各组件传递函数与时延的相互作用。模型通过状态空间方程描述系统动力学，为控制器设计提供基础框架。

基于DSM的PIDD²控制器设计
通过设定理想闭环传递函数，推导出控制器参数的解析表达式。创新性地在标准PIDD²结构中添加乘子项，使其自动适应不同时延条件，无需针对每个时延值重新调参。

数值与仿真结果
在阶跃负载扰动测试中，相比传统PID，新控制器将FC子系统的调节时间缩短20.19%。当PV输出波动±25%时，系统频率偏差绝对值降低42.8%。采用爱尔兰电网真实风速数据验证，在随机负载下ITAE改善达99.99%。

结论与意义
该研究首次将DSM应用于时延MG系统的PIDD²控制器解析设计，其创新乘子结构突破了时延补偿的单一性限制。实际数据验证表明，该方法能有效应对未建模动态、测量噪声等复杂工况，为高比例可再生能源微电网的稳定运行提供了可工业化的解决方案。论文成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，对推动清洁能源系统智能化控制具有重要参考价值。