一种三电平储能变流器的控制方法

1.本发明涉及分布式发电技术领域，尤其指一种三电平储能变流器的控制方法。


背景技术：

2.储能技术是将电能等能源（主要指电能）以特定形式存储，在有需求时再将能量释放的技术，通过储能技术的应用，能够有效提高新能源利用率。储能变流器是储能系统的外接口，针对不同场景下的储能系统，储能变流器的功能不同。储能变流器可以分为两电平结构和多电平结构，在多电平结构中，三电平结构因其较小的输出电压谐波含量和较为简单的拓扑结构得到广泛的应用。当储能变流器离网运行时，常采用下垂控制实现电压支撑和功率均分。传统下垂控制由下垂控制环、电压环、电流环组成，结构较为复杂。由于电压电流内环带宽有限，系统动态响应缓慢，另外，电压电流控制器对于主电路较为敏感，不利于参数设计。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中系统动态响应缓慢和控制器对于主电路较为敏感的问题，本发明提供一种三电平储能变流器的控制方法。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方法：一种三电平储能变流器的控制方法，包括：步骤一：实时采样三电平储能变流器的电气信号，并对其进行3/2变换，得到不同开关组合下两相静止坐标系下的输出电压、输出电流、电感电流、以及直流侧上电容和下电容的电压差；步骤二：根据储能变流器不同开关组合方式，将储能变流器的相电压进行3/2变换后得到不同开关组合下的电压空间矢量，将该电压空间矢量与步骤一得到的输出电压、输出电流、电感电流一起输入至输出电压预测模型中，得到不同开关组合下的储能变流器输出电压预测值；步骤三：将步骤一得到的输出电压、输出电流分别输入至下垂控制器中，所述下垂控制器先计算储能变流器的有功功率和无功功率，再进行下垂控制，得到储能变流器输出的角频率，接着加入虚拟阻抗，计算不同组合开关下的模型预测控制电压参考值；步骤四：计算直流侧上电容和下电容中点流过的电流i
co
，将其与步骤一得到的直流侧上电容和下电容的电压差一起输入至直流侧电容中点电压预测模型中，得到不同组合开关下的直流侧电容中点电压偏差预测值；步骤五：将得到的不同组合开关下的储能交流器输出电压预测值、模型预测控制电压参考值、以及直流侧电容中点电压偏差预测值依次带入价值函数中，计算出不同组合
开关下的价值函数值，选取使价值函数值最小的电压空间矢量，生成对应的开关信号作用至储能变流器。
5.进一步地，所述输出电压预测模型为采用零阶保持的方法将lc滤波器在s域上的数学模型进行离散化所得，其表达式为： (1)式中，是t=k时刻储能变流器电压空间矢量；为t=k时刻储能变流器输出电流；为t=k时刻电感电流；是t=k 1时刻电感电流预测值；为t=k时刻储能变流器输出电压；是t=k 1时刻储能变流器输出电压预测值；和均为2阶矩阵，表达式如下： (2) 。
6.进一步地，所述步骤三中，将步骤一得到的输出电压、输出电流分别输入至下垂控制器中，所述下垂控制器先计算储能变流器的有功功率和无功功率，再利用式(3)进行下垂控制，得到储能变流器输出角频率，接着加入虚拟阻抗，利用式(4)计算不同组合开关下的模型预测控制电压参考值； (3)式中，为储能变流器输出角频率；为额定角频率；为储能变流器输出有功；为储能变流器输出电压；v0为额定电压；为储能变流器输出无功；和是有功和无功下垂系数；和分别是有功和无功的微分系数； (4)式中，，zv为虚拟阻抗，表达式为，rv和lv为虚拟电阻和电感。
7.更进一步地，所述直流侧电容中点电压预测模型为采用欧拉离散方法对直流电容动态模型离散化所得，其表达式为：
ꢀ
(5)式中，i
c1
(k)和i
c2
(k)分别为t=k时刻直流侧上电容和下电容流过的电流，v
c1
(k)和v
c2
(k)分别为t=k时刻直流侧上电容电压和下电容电压；i
c1
(k 1)和i
c2
(k 1)分别为t=k 1时刻直流侧上电容和下电容流过的电流预测值，v
c1
(k 1)和v
c2
(k 1)分别为t=k 1时刻直流侧上电容电压预测值和下电容电压预测值；ts为储能变流器电气信号采样周期；c为直流侧上电容和下电容的电容值；进一步得到： (6)式中，为t=k时刻直流侧上电容和下电容的电压差，为t=k 1时刻直流侧电容中点电压偏差预测值，为t=k时刻直流侧上电容和下电容中点流过的电流。
8.更进一步地，所述三电平储能变流器的开关包括a相上半桥开关s1、s2和下半桥开关s3、s4；b相上半桥开关s5、s6和下半桥开关s7、s8；以及c相上半桥开关s9、s
10
和下半桥开关s
11
、s
12
；所述三电平储能变流器开关模型的表达式为：(7) (8) (9)式中，sa为a相开关变量，sb为b相开关变量，sc为c相开关变量；结合式(7)-(9)，得到三电平储能变流器有27种开关组合方式；定义储能变流器的极电压为： (10)进而可以得到储能变流器的相电压为：
ꢀ
(11)根据储能变流器的27种不同开关组合方式，将式(15)的储能变流器的相电压进行3/2变换后可以得到27种不同开关组合下电压空间矢量。
9.再进一步地，所述lc滤波器在s域上的数学模型的表达式为： (12)式中，输出电压；电感电流；储能变流器电压空间矢量；输出电流。
10.再进一步地，所述直流电容动态模型的表达式为： (13)式中，i
c1
和i
c2
分别为直流侧上电容和下电容流过的电流，v
c1
和v
c2
分别为直流侧上电容电压和下电容电压。
11.更进一步地，所述步骤四中，根据如下公式计算直流侧上电容和下电容中点流过的电流； (14)式中，|sa|、|sb|、|sc|是三相开关变量的绝对值；、、为t=k时刻三相电感电流。
12.更进一步地，所述价值函数为： (15)式中，为价值函数值，λ为权重系数，优选为0.5。
13.与传统的下垂控制方法不同，本发明提供的三电平储能变流器的控制方法，其下垂控制采用了基于预测模型的下垂控制内环，预测模型分为输出电压预测模型和直流侧电容中点电压预测模型，结构均较简单，能有效提高系统动态响应，且该预测模型工作时对于主电路参数不敏感，可提高系统的鲁棒性。另外，本发明在下垂控制内环中加入虚拟阻抗，有效减少了有功和无功的耦合，使得生成的控制电压参考值更加准确，有利于下垂控制实
现电压支撑和功率均分；且本发明还在下垂控制外环中添加了有功和无功的微分系数，新增一个控制维度，从而进一步改善下垂控制的功率动态过程。
附图说明
14.图1为本发明中三电平储能变流器的控制方法流程图；图2为本发明中三电平储能变流器的电路原理图；图3为本发明中三电平储能变流器电压空间矢量图；图4为本发明中lc滤波器在s域上的数学模型结构框图；图5为本发明基于模型预测的下垂控制结构框图；图6为本发明中滚动优化流程图；图7为本发明实施方式中储能变流器功率响应曲线图（其中，图a为本发明基于模型预测的下垂控制功率响应曲线图，图b为传统下垂控制策略功率响应曲线图）；图8为本发明实施方式中直流侧电容电压变化曲线图；图9为本发明实施方式中电路参数变化下的三相电压响应波形图。
具体实施方式
15.为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
16.在阐述本发明之前，先介绍一下三电平储能变流器的结构，如图2所示，储能变流器接口电压为va、vb、vc；储能变流器输出电压为v
oa
、v
ob
、v
oc
；母线电压为v
ba
、v
bb
、v
bc
；电感电流为i
1a
、i
1b
、i
1c
；电容电流为i
ca
、i
cb
、i
cc
；储能变流器输出电流为i
oa
、i
ob
、i
oc
；v
dc
为直流侧电压；r
l
为直流侧电池内阻；c1和c2为直流侧电容； lf为交流滤波电感；r为寄生电阻；cf为交流滤波电容；rc和lc分别是线路电感和电阻。
17.本发明提供一种如上三电平储能变流器的控制方法，如图1所示，该控制方法主要由五大部分组成，具体如下。
18.第一部分：参数采样及处理。
19.1）实时采样三电平储能变流器的电气信号，包括储能变流器27种不同开关组合下的输出电压、输出电流、电感电流、直流侧上电容和下电容的电压差；将这些参数进行3/2变换，得到对应开关组合下两相静止坐标系下的输出电压、输出电流、电感电流、以及直流侧上电容和下电容的电压差。
20.第二部分：储能变流器输出电压预测。
21.1）构建储能变流器开关模型由图2可知三电平储能变流器的开关包括a相上半桥开关s1、s2和下半桥开关s3、s4；b相上半桥开关s5、s6和下半桥开关s7、s8；以及c相上半桥开关s9、s
10
和下半桥开关s
11
、s
12
；由此特点，储能变流器开关模型的表达式可为：
ꢀꢀ
(7)
ꢀ
(8) (9)式中，sa为a相开关变量，sb为b相开关变量，sc为c相开关变量。
22.结合式(7)-(9)，将开关变量sa、sb、sc随机组合，可得到三电平储能变流器有27种开关组合方式。
23.定义储能变流器的极电压为： (10)进而可以得到储能变流器的相电压为： (11)根据三电平储能变流器的27种开关组合方式，将式(15)的储能变流器的相电压进行3/2变换后可以得到27种开关组合下的电压空间矢量，如图3所示。
24.2）构建输出电压预测模型如图4所示lc滤波器在s域上的数学模型，将其表示成矩阵形式，表达式为： (12)式中，输出电压；电感电流；储能变流器电压空间矢量；输出电流。
25.根据式(12)，并采用零阶保持的方法将lc滤波器模型进行离散化，可得到输出电压预测模型，该输出电压预测模型的表达式如下：
ꢀ
(1)式中，是t=k时刻储能变流器电压空间矢量；为t=k时刻储能变流器输出电流；为t=k时刻电感电流；)是t=k 1时刻电感电流预测值；为t=k时刻储能变流器输出电压；是t=k 1时刻储能变流器输出电压预测值；和均为2阶矩阵，表达式为： (2)2）将前述得到的电压空间矢量、输出电压、输出电流、电感电流一起输入至输出电压预测模型中，得到27种不同组合开关下的储能变流器输出电压预测值。
26.第三部分：下垂控制1）设计下垂控制策略如图5所示，本发明所采取的下垂控制表达式为： (3)式中，为储能变流器输出角频率；为额定角频率；为储能变流器输出有功；为储能变流器输出电压；v0为额定电压；q为储能变流器输出无功；和是有功和无功下垂系数；和分别是有功和无功的微分系数，用来改善功率调节的动态过程，增强系统稳定性。
27.在下垂控制中加入虚拟阻抗，减少有功和无功之间的耦合，得到模型预测控制电压参考值： (4)式中，，为虚拟阻抗，表达式为，rv和lv为虚拟电阻和电感。
28.2）生成模型预测控制电压参考值将前述得到的27种组合开关下两相静止坐标系下的储能变流器输出电压、输
出电流分别输入至下垂控制器中，下垂控制器先计算储能变流器的有功功率和无功功率，再利用式(3)进行下垂控制，得到储能变流器输出的角频率，接着加入虚拟阻抗，利用式(4)计算27种不同组合开关下的模型预测控制电压参考值。
29.第四部分：直流侧电容中点电压偏差预测1）构建直流侧电容中点电压预测模型三电平储能变流器要考虑直流侧中点电压平衡，直流电容动态模型的表达式为： (13)式中，i
c1
和i
c2
分别为直流侧上电容和下电容流过的电流，v
c1
和v
c2
分别为直流侧上电容电压和下电容电压；c为直流侧上电容和下电容的电容值。
30.采用欧拉离散方法对直流电容动态模型离散化，可以得到直流侧电容中点电压预测模型，其表达式为： (5)式中，i
c1
(k)和i
c2
(k)分别为t=k时刻直流侧上电容和下电容流过的电流，v
c1
(k)和v
c2
(k)分别为t=k时刻直流侧上电容电压和下电容电压；i
c1
(k 1)和i
c2
(k 1)分别为t=k 1时刻直流侧上电容和下电容流过的电流预测值，v
c1
(k 1)和v
c2
(k 1)分别为t=k 1时刻直流侧上电容电压预测值和下电容电压预测值；为储能变流器电气信号采样周期。
31.进一步得到： (6)式中，为t=k时刻直流侧上电容和下电容的电压差为t=k 1时刻直流侧电容中点电压偏差预测值，为t=k时刻直流侧上电容和下电容中点流过的电流，其采用如下公式进行计算：(14)式中，|sa|、|sb|、|sc|是三相开关变量的绝对值；、、为t=k时刻三相电感电流。
32.2）将前述得到的27种开关组合下两相静止坐标系下的直流侧上电容和下电容的电压差以及计算得到的两电容中点流过的电流i
co
输入至直流侧电容中点电压预测模型中，得到27种不同组合开关下的直流侧电容中点电压偏差预测值。
33.第五部分：计算价值函数值，选择最优矢量。
34.1）设计价值函数三电平储能变流器需要考虑其中点电压的平衡，根据如式(1)的输出电压预测模型以及如式(5)的直流侧电容中点电压预测模型，设计价值函数控制目标应包含输出电压控制和直流侧中点电压的控制，具体表达式为：(15)式中，为价值函数值，λ为权重系数，优选为0.5。
35.2）如图6所示，采用滚动优化方式选择最优矢量，图中g
min
表示价值函数的最小值，i表示开关组合序号，i∈[1,2
……
27]。具体而言，预设g
min
=∞，将第i种组合开关下的储能交流器输出电压预测值、模型预测控制电压参考值、以及直流侧电容中点电压偏差预测值带入如式(13)的价值函数中，接着判断当前计算出的价值函数值g
cf
是否小于预设的g
min
，若是，则更新价值函数最小值，令当前g
cf
=g
min
，紧接着进入下一步；若不是，则直接进入下一步，表1储能变流器工作参数 初始情况下，储能变流器带有2.5kw的负载，t=0.3s时，负载增加到7.5kw。本发明基于模型预测的下垂控制功率响应如图7(a)所示，传统下垂控制策略功率响应如图7(b)所示，通过图7(a)和7(b)可以得到，基于模型预测的下垂控制策略功率动态调节时间要小于传统下垂控制策略功率动态调节时间，证明了本发明所涉基于模型预测的下垂控制具有优越的动态特性。
[0036]
图8是权重系数变化时直流侧两电容电压的变化情况。初始状态下设置60v的上下电容电压差，通过图8可以看出，权重系数λ逐渐增加时，电容电压差的收敛速度也会增大。但是过大的λ会降低储能变流器输出电压质量，因此，权重系数的设计需折中考虑。
[0037]
图9是主电路参数变化时，储能变流器三相电压响应图。通过图9可以得到，当滤波电感和电容参数变化时，储能变流器电压波形保持良好的正弦度并且系统正常运行，这验证了本发明所涉基于模型预测的下垂控制策略对主电路参数变化不敏感，系统具有强鲁棒性。
[0038]
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在
不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
[0039]
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本技术文件还省略了一些其他元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。