一种基于机器学习的逆变器并联电池扩容系统环流抑制方法与流程

本发明涉及输配电及控制设备制造，属于用于并联电池的环流抑制领域，尤其涉及一种基于机器学习的逆变器并联电池扩容系统环流抑制方法。

背景技术：

1、随着工商业储能、微电网、离网供电以及新能源消纳等应用场景中储能容量需求的持续增长，采用多台储能变流器（power conversion system，pcs）与多组电池簇并联运行的扩容方式，逐渐成为提升储能系统容量、供电可靠性以及运维灵活性的重要技术方案。对于已经投入运行的储能系统，后期容量扩展通常通过新增电池簇及对应逆变器支路，并接入原有交流母线的方式实现，使新增支路与原有支路共同承担负载功率。该方式无需对原有储能设备进行整体替换，能够降低系统扩容成本，提高设备利用率，但由于新旧电池簇在使用年限、容量衰减程度、电池内阻以及运行状态方面存在差异，同时不同逆变器支路之间的控制参数和等效输出阻抗也可能存在不一致，使并联运行过程中支路间功率分配失衡以及环流问题更加突出。

2、在并联逆变器系统中，当不同支路之间存在输出电压幅值、相位、等效阻抗或功率调节基准偏差时，会导致部分电流未经过负载而在逆变器支路之间循环流动，形成并联环流。环流不仅会增加系统额外损耗，降低逆变器运行效率，还会造成支路电流畸变、功率分配不均以及电池异常发热，加速电池老化，影响储能系统长期运行的安全性和可靠性。因此，如何根据并联电池扩容系统中各支路实际运行状态进行动态控制，实现环流抑制和功率合理分配，成为储能系统扩容应用中的关键技术问题。

3、现有环流抑制方法主要针对交流侧线路阻抗差异、逆变器参数不匹配以及负载扰动等因素进行优化，对于电池扩容场景中由于电池实际可用容量差异导致的功率分配偏差考虑不足。在实际储能系统中，已运行电池簇经过长期充放电循环后会产生容量衰减，其实际可承载功率能力与额定容量之间存在偏差；若仍采用额定容量参数或仅依据pcs侧运行状态进行控制参数设定，则无法准确反映电池真实健康状态，容易造成容量较低的电池支路承担过多功率，进一步引起支路输出特性偏差和持续环流。

4、针对该问题，本发明提出一种基于机器学习的逆变器并联电池扩容系统环流抑制方法，实现从电池状态感知、控制参数更新到逆变器功率调节的闭环优化，提高并联电池扩容系统在容量不一致条件下的功率均衡能力和环流抑制能力，增强储能系统运行的稳定性、可靠性以及扩容适应能力。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于机器学习的逆变器并联电池扩容系统环流抑制方法，s1步骤对电气采样数据进行时序同步、坐标变换以及功率解算处理，构建包含电压、电流、功率及运行状态信息的支路电气时序数据，能够实现并联逆变器支路运行状态的统一表征，为后续容量状态辨识及控制参数优化提供连续、准确的数据基础；s2步骤通过从支路电气时序数据中提取电气特征动态窗口序列，并利用基于容量辨识网络配置参数构建的容量辨识网络对动态窗口序列进行时序特征编码和非线性容量映射，输出各并联逆变器支路的电池可用容量系数，能够充分挖掘电气运行特征与电池容量状态之间的动态关联关系，实现对不同衰减程度电池支路容量状态的准确感知；s3步骤基于电池可用容量系数与支路额定控制静态参数之间的容量反比映射规则，对基准虚拟电阻和基准虚拟电感进行自适应求解，并结合阻抗边界约束进行限幅修正，得到与各支路电池状态相匹配的自适应虚拟阻抗参数，能够动态调整并联逆变器支路的等效输出阻抗特性，提高不同容量状态支路之间的功率协调能力，解决固定虚拟阻抗参数无法适应电池容量变化、支路阻抗匹配能力不足、功率分配偏差较大的技术问题；s4步骤结合支路电气时序数据和自适应虚拟阻抗参数生成包含压降补偿信息的三相调制电压参考信号，并利用逆变器调制单元生成pwm驱动脉冲控制pcs内部功率开关器件动作，实现交直流双向电能变换，能够将容量状态感知结果实时作用于逆变器功率控制过程，通过输出电压补偿和阻抗协调降低并联支路之间的电压差异及环流分量，解决并联逆变器因电池容量不一致、输出阻抗偏差导致环流增大的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供的一种基于机器学习的逆变器并联电池扩容系统环流抑制方法，包括以下步骤：

3、s1：采集逆变器并联电池扩容系统中各并联逆变器支路本地的电气采样数据、支路额定控制静态参数以及容量辨识网络配置参数，对所述电气采样数据进行时序同步、坐标变换以及功率解算处理，得到各并联逆变器支路的支路电气时序数据；

4、s2：从所述支路电气时序数据中提取支路电气特征动态窗口序列，将所述电气特征动态窗口序列输入至基于容量辨识网络配置参数构建的容量辨识网络，输出各并联逆变器支路的电池可用容量系数；

5、s3：基于所述并联逆变器支路的电池可用容量系数以及支路额定控制静态参数，采用容量反比映射规则进行自适应求解以及限幅修正处理，得到并联逆变器支路的自适应虚拟阻抗参数；

6、s4：根据并联逆变器支路的支路电气时序数据，结合自适应虚拟阻抗参数生成对并联逆变器支路进行压降补偿以及并联环流抑制的三相调制电压参考信号，并联逆变器支路内部的逆变器调制单元根据所述三相调制电压参考信号生成pwm驱动脉冲，对pcs内部功率开关器件进行导通与关断控制，实现pcs的交直流双向电能变换。

7、作为本发明的进一步改进方法：

8、进一步地，所述s1步骤中并联逆变器支路本地的电气采样数据由并联逆变器支路的三相交流母线电压采样值、三相交流母线电流采样值以及采样值的采样时刻组成，支路额定控制静态参数由并联逆变器支路的基准虚拟电阻、基准虚拟电感、电池簇额定容量、额定角频率、额定交流电压幅值、有功下垂系数、无功下垂系数、有功参考值以及无功参考值以及虚拟阻抗电阻/电感分量上下限幅边界组成，容量辨识网络配置参数由时序滑动窗口长度、电池可用容量系数下限、门控时序编码层参数、容量嵌入层参数以及容量平滑系数组成。

9、进一步地，s1步骤中对所述电气采样数据进行时序同步、坐标变换以及功率解算处理，还包括：

10、s11：以并联逆变器支路中的系统时钟作为统一基准时钟，基于统一基准时钟周期性生成由连续基准时刻构成的基准时刻序列，从所述电气采样数据中提取采样时刻等于基准时刻的三相交流母线电压采样值、三相交流母线电流采样值，作为并联逆变器支路在基准时刻的基准同步值，按照基准时刻在基准时刻序列的出现顺序，对基准时刻的基准同步值进行排序，作为时序同步后的基准采样数据；

11、s12：利用克拉克变换将所述基准同步值中的三相交流母线电压采样值、三相交流母线电流采样值分别从abc三相静止坐标系转换至两相坐标系，得到基准同步值对应的轴电压分量、轴电压分量、轴电流分量以及轴电流分量，作为并联逆变器支路在基准同步值所关联基准时刻的轴电气数据；

12、s13：利用帕克变换将所述轴电压分量、轴电压分量、轴电流分量以及轴电流分量转换至同步旋转坐标系轴，得到基准同步值对应的d轴电压分量、q轴电压分量、d轴电流分量以及q轴电流分量，作为并联逆变器支路在基准同步值所关联基准时刻的轴电气数据；

13、s14：根据基准同步值对应的d轴电压分量、q轴电压分量、d轴电流分量以及q轴电流分量，基于轴瞬时功率计算公式计算得到并联逆变器支路在基准同步值所关联基准时刻的有功功率以及无功功率；

14、s15：提取并联逆变器支路在基准时刻的基准同步值、轴电气数据、轴电气数据、有功功率以及无功功率，并对提取结果进行拼接，作为并联逆变器支路在基准时刻的电气数据；

15、s16：按照基准时刻在基准时刻序列的出现顺序，对基准时刻的电气数据进行排序，将排序结果作为并联逆变器支路的支路电气时序数据。

16、进一步地，所述s2步骤中从所述支路电气时序数据中提取支路电气特征动态窗口序列，包括：

17、根据所述容量辨识网络配置参数中的时序滑动窗口长度m，初始化滑动起始索引k=1，每次截取支路电气时序数据中第k个至第k+m-1个电气数据所构成的序列，作为第k组支路电气特征动态窗口；

18、在得到第k组支路电气特征动态窗口后，令k=k+1，重复截取操作，直至k+m-1大于n-1，其中n表示支路电气时序数据中的电气数据数目；

19、按照每组支路电气特征动态窗口的生成顺序，对所得到的n-m+1组支路电气特征动态窗口进行排序，得到电气特征动态窗口序列。

20、进一步地，s2步骤中将所述电气特征动态窗口序列输入至基于容量辨识网络配置参数构建的容量辨识网络，输出各并联逆变器支路的电池可用容量系数，还包括：

21、s21：所述容量辨识网络包括输入层、门控时序编码层、容量嵌入层以及容量重构层，输入层接收电气特征动态窗口序列，并将所述电气特征动态窗口序列中的支路电气特征动态窗口依次传输至门控时序编码层；

22、s22：所述门控时序编码层为gru单元结构，门控时序编码层对所传输的支路电气特征动态窗口进行gru前向计算，得到电气特征动态窗口序列对应的时序隐向量，并将所述时序隐向量发送至容量嵌入层；

23、s23：容量嵌入层基于可训练的容量嵌入层参数对时序隐向量进行非线性映射，得到电气特征动态窗口序列对应的初始电池可用容量系数；

24、s24：容量重构层结合电池可用容量系数下限以及前一电气特征动态窗口序列对应的电池可用容量系数，对所述电气特征动态窗口序列对应的初始电池可用容量系数进行下限限制以及平滑处理，得到并联逆变器支路在电气特征动态窗口序列所对应基准时刻范围的电池可用容量系数。

25、具体地，s22步骤中对电气特征动态窗口序列中的支路电气特征动态窗口进行gru前向计算的计算公式为：

26、；

27、；

28、；

29、；

30、；

31、其中，表示电气特征动态窗口序列中的第s组支路电气特征动态窗口，表示前s-1组支路电气特征动态窗口的时序聚合特征，表示前s组支路电气特征动态窗口的时序聚合特征，表示第s组支路电气特征动态窗口对应的更新门向量，表示第s组支路电气特征动态窗口对应的重置门向量，表示门控时序编码层参数中的gru输入权重矩阵，表示门控时序编码层参数中的隐状态循环权重矩阵，表示sigmoid激活函数，表示哈达玛积运算符，表示全1向量，表示前s组支路电气特征动态窗口的聚合中间向量，表示双曲正切函数；

32、将组支路电气特征动态窗口的时序聚合特征作为电气特征动态窗口序列对应的时序隐向量，其中=；

33、s23步骤中基于可训练的容量嵌入层参数对时序隐向量进行非线性映射的公式为：

34、；

35、其中，d表示初始电池可用容量系数，表示容量嵌入层参数中的映射权重矩阵，表示容量嵌入层参数中的映射偏置量。

36、进一步地，所述s3步骤中基于所述并联逆变器支路的电池可用容量系数以及支路额定控制静态参数，采用容量反比映射规则进行自适应求解以及限幅修正处理，包括：

37、s31：提取所述支路额定控制静态参数中的基准虚拟电阻以及基准虚拟电感；

38、s32：计算基准虚拟电阻与并联逆变器支路的电池可用容量系数之间的比值，作为初始自适应虚拟电阻；

39、s33：计算基准虚拟电感与并联逆变器支路的电池可用容量系数之间的比值，作为初始自适应虚拟电感；

40、s34：提取所述支路额定控制静态参数中的虚拟阻抗电阻/电感分量上下限幅边界，分别对所述初始自适应虚拟电阻以及初始自适应虚拟电感进行限幅修正处理，得到限幅修正后虚拟电阻以及限幅修正后虚拟电感，将限幅修正后虚拟电阻以及限幅修正后虚拟电感作为并联逆变器支路在电气特征动态窗口序列所对应基准时刻范围的自适应虚拟阻抗参数。

41、进一步地，所述s4步骤中根据并联逆变器支路的支路电气时序数据，结合自适应虚拟阻抗参数生成对并联逆变器支路进行压降补偿以及并联环流抑制的三相调制电压参考信号，包括：

42、s41：提取所述支路电气时序数据中电气数据的有功功率以及无功功率，结合所述支路额定静态参数中的额定角频率、额定交流电压幅值、有功下垂系数、无功下垂系数、有功参考值以及无功参考值，基于下垂特性计算得到有功功率以及无功功率所关联基准时刻的下垂输出电压以及下垂调节后角频率；

43、s42：将所述下垂输出电压映射至同步旋转坐标系轴，得到d轴基准电压以及q轴基准电压；

44、s43：计算得到自适应虚拟阻抗参数在各基准时刻的同步旋转坐标系轴-压降补偿分量，其中同步旋转坐标系轴-压降补偿分量包括自适应虚拟阻抗参数在各基准时刻的d轴压降补偿电压、q轴压降补偿电压；

45、s44：将并联逆变器支路在基准时刻的d轴基准电压与d轴压降补偿电压进行叠加，作为并联逆变器支路在基准时刻的d轴调制电压；将并联逆变器支路在基准时刻的q轴基准电压与q轴压降补偿电压进行叠加，作为并联逆变器支路在基准时刻的q轴调制电压；

46、s45：采用帕克逆变换处理方式将d轴调制电压与q轴调制电压从同步旋转坐标系轴变换至两相坐标系，得到两相坐标系下的轴调制电压与轴调制电压；采用克拉克逆变换处理方式将轴调制电压与轴调制电压变换至abc三相静止坐标系，得到并联逆变器支路在基准时刻的三相调制电压；

47、s46：按照基准时刻在基准时刻序列的出现顺序，对基准时刻的三相调制电压进行排序，将排序结果作为并联逆变器支路的三相调制电压参考信号；

48、s47：并联逆变器支路内部的逆变器调制单元根据所述三相调制电压参考信号生成pwm驱动脉冲，对pcs内部功率开关器件进行导通与关断控制。

49、进一步地，所述s43步骤中计算得到自适应虚拟阻抗参数在各基准时刻的同步旋转坐标系轴-压降补偿分量：

50、；

51、；

52、其中，表示并联逆变器支路在第n个基准时刻的同步旋转坐标系轴-压降补偿分量，表示电气数据中并联逆变器支路在第n个基准时刻的d轴电流分量，表示电气数据中并联逆变器支路在第n个基准时刻的q轴电流分量，表示并联逆变器支路在第n个基准时刻的下垂调节后角频率。

53、进一步地，所述s47步骤中并联逆变器支路内部的逆变器调制单元根据所述三相调制电压参考信号生成pwm驱动脉冲，包括：

54、将所述三相调制电压参考信号输入至并联逆变器支路内部的逆变器调制单元，由所述逆变器调制单元依据预设脉宽调制策略对所述三相调制电压参考信号进行调制计算，生成对应pcs内部各桥臂的pwm驱动脉冲序列，其中所述pwm驱动脉冲序列包含各功率开关器件对应的导通时刻、关断时刻以及占空比信息；

55、将所述pwm驱动脉冲序列发送至pcs内部各桥臂的功率开关器件，对各功率开关器件实施导通与关断控制，使各桥臂按照所述pwm驱动脉冲序列进行周期性开关动作，对直流侧母线电压进行调制，生成对应的三相交流输出电压，进行pcs直流侧与交流侧之间的双向电能变换。

56、相对于现有技术，本发明提出一种基于机器学习的逆变器并联电池扩容系统环流抑制方法，该技术具有以下有益效果：

57、首先，本发明通过基于电池可用容量系数与虚拟阻抗参数之间的容量反比映射关系，对并联逆变器支路的虚拟电阻及虚拟电感进行自适应调整，使容量衰减程度不同的电池支路能够根据自身可用容量状态动态改变输出阻抗特性，实现并联支路间功率的主动均衡分配。相比采用固定虚拟阻抗参数的控制方式，本发明能够降低因电池容量差异导致的输出功率偏差以及环流增大的问题，提高扩容电池系统的运行稳定性；同时，通过引入虚拟阻抗电阻及电感分量上下限幅约束，对初始自适应计算结果进行边界修正，避免因容量辨识异常、瞬态工况变化或极端运行状态导致虚拟阻抗参数过大或过小，从而保证虚拟阻抗调节范围始终满足逆变器控制稳定性要求。该方法提高了并联逆变器系统对电池状态变化的适应能力，为后续压降补偿及环流抑制控制提供稳定可靠的参数基础。

58、同时，具体而言，本发明通过基于机器学习的电池可用容量系数对并联逆变器支路虚拟阻抗进行自适应调节，并结合下垂控制实现输出电压参考信号的动态补偿，从而实现并联环流抑制。具体地，本发明首先利用容量辨识网络对各并联电池支路的电池可用容量系数进行实时估计，根据容量反比映射规则动态调整各支路的虚拟电阻和虚拟电感，使容量较低或衰减程度较大的支路具有匹配的等效输出阻抗特性；随后根据支路电流状态计算虚拟阻抗引起的dq轴压降补偿分量，并叠加至下垂控制生成的基准电压中，修正各并联逆变器的三相调制电压参考信号。由于并联逆变器之间的环流本质上由各支路输出电压幅值、相位及等效阻抗差异引起，通过动态调整虚拟阻抗能够增大不一致支路之间的阻抗协调作用，降低因电池容量差异造成的输出电压偏差和功率分配不均，使各支路输出电流按照容量状态实现合理分配，从而减小支路间的环流分量，提高并联电池扩容系统的运行稳定性和可靠性。