高压直挂储能功率单元对拖平台的功率直接控制方法和系统

本发明涉及电力电子，具体地，涉及一种高压直挂储能功率单元对拖平台的功率直接控制方法和系统。更为具体地，涉及一种基于功率给定反向求解控制参数实现高压直挂储能功率单元对拖平台功率直接控制的方法及其系统。

背景技术：

1、高压直挂储能系统通过高压直挂功率变换系统（power conversion system,pcs）将系统所需的海量电芯分割成众多电池簇分散接入功率模块直流侧，并将其交流侧级联升高pcs输出电压和单机容量，可无变压器直挂高压电网。h桥功率模块作为高压直挂储能系统中的基本功率单元，其性能和控制方法直接影响整个储能系统的效率和稳定性。

2、在高压直挂储能功率单元对拖平台中，两个h桥功率单元模块通过连接电感背靠背连接，用于模拟功率传输和系统测试。传统的对拖控制方法中，通常需要同时调节两个h桥功率单元模块的调制比和相位差来实现功率控制。具体而言，传统方法通过设定相位差和调制比m来间接控制传输的有功功率p和无功功率q，其功率传输特性由以下方程描述：

3、

4、其中，和分别为两个h桥功率单元模块的交流侧电压有效值，为连接电感的感抗，为两个h桥功率单元模块之间的相位差。

5、然而，传统的对拖控制方法存在以下技术问题：

6、其一，控制参数与功率目标之间为间接关系。传统方法中，用户需要先给定调制比和相位差，再通过功率传输方程计算得到实际传输的功率，无法直接根据期望的功率值来设定控制参数，控制过程繁琐且不直观。

7、其二，功率跟踪精度受直流侧电压波动影响。在实际系统中，直流侧电池存在内阻，当功率传输时会导致直流侧电压发生偏移。传统前馈计算方法仍基于理想直流电压值进行计算，未考虑电池内阻引起的电压偏移，导致实际输出功率与给定功率之间存在偏差。

8、其三，缺乏对系统非理想因素的补偿机制。传统开环控制方法完全依赖前馈计算，不依赖反馈调节，当系统参数发生偏移时无法自动修正，控制鲁棒性较差。

9、因此，亟需一种能够直接根据给定的有功功率和无功功率需求，自动计算h桥功率单元模块控制参数，并能够补偿直流侧电压偏移等非理想因素影响的h桥对拖平台控制方法。

10、专利申请文献cn114884078a公开了一种无功补偿与储能一体化的高压直挂系统，其包括基于级联h桥变换器的参数信息和网侧电流计算零序电压的幅值和相对相位，基于高压直挂储能系统的无功功率给定计算级联h桥变换器每相输出电压的给定值，再根据每一相的电池荷电状态、零序电压的幅值和相对相位计算得到级联h桥变换器每相输出电压的调制电压，基于每相各个功率模块的电池荷电状态和电容电压，根据级联h桥变换器每相输出电压的调制电压，计算最近电平调制下需要投入的子模块数量，再对各个功率模块进行电池荷电状态的排序，根据每相的电流方向和最近电平调制需要投入的功率模块数量决定各个功率模块的驱动信号。然而该专利无法完全解决目前存在的技术问题，也无法满足本发明的需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高压直挂储能功率单元对拖平台的功率直接控制方法和系统。

2、根据本发明提供的高压直挂储能功率单元对拖平台的功率直接控制方法，所述高压直挂储能功率单元对拖平台包括输出端h桥功率单元模块、输入端h桥功率单元模块、连接电感和pcs单元子控制器；

3、所述输出端h桥功率单元模块与所述输入端h桥功率单元模块通过所述连接电感背靠背连接；所述pcs单元子控制器分别与所述输出端h桥功率单元模块和所述输入端h桥功率单元模块连接；

4、所述输出端h桥功率单元模块和所述输入端h桥功率单元模块的直流侧均包括直流侧电池、直流侧滤波电感、直流侧电容和h桥功率单元；所述直流侧电池的正极与所述直流侧滤波电感串联连接，形成串联支路，该串联支路与所述直流侧电容并联连接，并联后的两端分别作为h桥功率单元的直流侧正极端和负极端；

5、所述功率直接控制方法包括以下步骤：

6、步骤s1：获取给定的有功功率参考值和无功功率参考值，输出端h桥功率单元模块和输入端h桥功率单元模块的直流侧电压，以及输出端h桥功率单元模块的固定调制比、系统频率、相位角和连接电感的电感值；

7、步骤s2：根据所述输出端h桥功率单元模块的直流侧电压和固定调制比，计算所述输出端h桥功率单元模块的交流侧电压有效值；

8、步骤s3：根据所述系统频率和连接电感的电感值计算感抗，并根据输出端h桥功率单元模块的交流侧电压有效值和感抗计算常数；

9、步骤s4：基于给定的有功功率参考值和无功功率参考值、常数以及输出端h桥功率单元模块的交流侧电压有效值，建立功率传输方程，反向求解所述输入端h桥功率单元模块的交流侧电压有效值和相位；

10、步骤s5：根据所述输入端h桥功率单元模块的交流侧电压有效值和直流侧电压，计算所述输入端h桥功率单元模块的调制比；

11、步骤s6：根据所述输出端h桥功率单元模块的相位角和所述输入端h桥功率单元模块的相位，生成所述输出端h桥功率单元模块和输入端h桥功率单元模块的调制波形，以控制两个h桥功率单元模块之间传输的有功功率和无功功率。

12、优选地，所述输出端h桥功率单元模块和输入端h桥功率单元模块的直流侧电压为实时测量值。

13、优选地，根据所述输出端h桥功率单元模块的直流侧电压和所述输出端h桥功率单元模块的固定调制比，计算所述输出端h桥功率单元模块的交流侧电压有效值的计算公式为：

14、

15、其中，为输出端h桥功率单元模块的固定调制比，为输出端h桥功率单元模块的直流侧电压。

16、优选地，根据所述系统频率和连接电感的电感值，计算感抗的计算公式为：

17、

18、根据所述输出端h桥功率单元模块的交流侧电压有效值和感抗计算常数的计算公式为：

19、

20、其中，是圆周率，为系统频率，为连接电感的电感值。

21、优选地，所述功率传输方程为：

22、

23、其中，p为有功功率，q为无功功率，为输入端h桥功率单元模块的交流侧电压有效值，为输出端h桥功率单元模块和输入端h桥功率单元模块之间的相位差。

24、优选地，所述反向求解所述输入端h桥功率单元模块的交流侧电压有效值和相位的方法为：以给定的有功功率参考值和无功功率参考值作为已知量，代入所述功率传输方程，联立求解得到所述输入端h桥功率单元模块的交流侧电压有效值和相位。

25、优选地，根据所述输入端h桥功率单元模块的交流侧电压有效值和所述输入端h桥功率单元模块的直流侧电压，计算所述输入端h桥功率单元模块的调制比的计算公式为：

26、

27、其中，为所述输入端h桥功率单元模块的直流侧电压。

28、优选地，对所述输入端h桥功率单元模块的调制比进行限幅处理，限制在[0, 1]范围内；对所述输入端h桥功率单元模块的相位进行限幅处理，限制在[-π/2, π/2]范围内。

29、优选地，所述输出端h桥功率单元模块的固定调制比的取值范围为0.7～0.9。

30、根据本发明提供的高压直挂储能功率单元对拖平台的功率直接控制系统，所述高压直挂储能功率单元对拖平台包括输出端h桥功率单元模块、输入端h桥功率单元模块、连接电感和pcs单元子控制器；

31、所述输出端h桥功率单元模块与所述输入端h桥功率单元模块通过所述连接电感背靠背连接；所述pcs单元子控制器分别与所述输出端h桥功率单元模块和所述输入端h桥功率单元模块连接；

32、所述输出端h桥功率单元模块和所述输入端h桥功率单元模块的直流侧均包括直流侧电池、直流侧滤波电感、直流侧电容和h桥功率单元；所述直流侧电池的正极与所述直流侧滤波电感串联连接，形成串联支路，该串联支路与所述直流侧电容并联连接，并联后的两端分别作为h桥功率单元的直流侧正极端和负极端；

33、所述功率直接控制系统包括以下模块：

34、模块m1：获取给定的有功功率参考值和无功功率参考值，输出端h桥功率单元模块和输入端h桥功率单元模块的直流侧电压，以及输出端h桥功率单元模块的固定调制比、系统频率、相位角和连接电感的电感值；

35、模块m2：根据所述输出端h桥功率单元模块的直流侧电压和固定调制比，计算所述输出端h桥功率单元模块的交流侧电压有效值；

36、模块m3：根据所述系统频率和连接电感的电感值计算感抗，并根据输出端h桥功率单元模块的交流侧电压有效值和感抗计算常数；

37、模块m4：基于给定的有功功率参考值和无功功率参考值、常数以及输出端h桥功率单元模块的交流侧电压有效值，建立功率传输方程，反向求解所述输入端h桥功率单元模块的交流侧电压有效值和相位；

38、模块m5：根据所述输入端h桥功率单元模块的交流侧电压有效值和直流侧电压，计算所述输入端h桥功率单元模块的调制比；

39、模块m6：根据所述输出端h桥功率单元模块的相位角和所述输入端h桥功率单元模块的相位，生成所述输出端h桥功率单元模块和输入端h桥功率单元模块的调制波形，以控制两个h桥功率单元模块之间传输的有功功率和无功功率。

40、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

41、（1）本发明提出了一种基于功率给定反向求解控制参数的对拖平台功率直接控制方法，通过固定输出端h桥功率单元模块的调制比和相位，根据给定的有功功率和无功功率直接反向求解输入端h桥功率单元模块的调制比和相位，实现了从功率目标到控制参数的直接求解，控制过程直观、简洁；

42、（2）本发明引入直流侧电压实时反馈补偿机制，通过测量两个h桥功率单元模块的实际直流母线电压，有效补偿了电池内阻引起的直流电压偏移对功率传输的影响，提高了功率跟踪精度；

43、（3）本发明通过调制比和相位的双重限幅保护，对输入端h桥功率单元模块的调制比进行[0,1]限幅保证在线性调制区运行，对输入端h桥功率单元模块的相位进行[-π/2，π/2]限幅避免过大相位差导致电流畸变，确保系统安全稳定运行。