CN104135021B - 一种基于复合控制的离网型储能变流器电压优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于复合控制的离网型储能变流器电压优化控制方法，该优化控制方法为将重复控制和PID控制的输出量相加作为所述储能变流器的控制信号；所述PID控制为对电压有效值偏差进行调节，获得PID控制量；所述重复控制为对所述储能变流器输出电压实际值和模拟正弦电压的偏差进行调节，获得重复控制量。该方法解决了非线性负荷接入导致供电系统电能质量较差的问题，提高储能变流器离网运行时供电系统的电能质量。

Description

一种基于复合控制的离网型储能变流器电压优化控制方法

技术领域

本发明涉及一种储能变流控制领域的方法，具体讲涉及一种基于复合控制的离网型储能变流器电压优化控制方法。

背景技术

建设智能电网，提高电力系统安全性、稳定性、可靠性和电能质量是电网建设的基本要求，作为提高智能电网消纳可再生能源发电容量的重要手段的储能技术是支撑智能电网建设的关键技术之一。受季节、气象和地域条件的影响，风能、太阳能、小水电等可再生能源发电具有明显的不连续、不稳定性，发出的电力波动较大，可调节性较差。配套高效储能装置，可以解决发电用电时差矛盾及间歇式可再生能源发电直接并网对电网冲击。储能技术在离网运行的太阳能、风能等可再生能源发电应用中具有不可或缺的重要作用。

目前一些地方的电力系统目前主要为集中供电单一系统，电网上单一点的故障可能导致大面积停电事故。而分布式发电可作为大电网的有力补充和有效支撑。高原、海岛、偏远山区等无电地区，分布式发电成为无电地区电力供应的重要手段。在微电网中，储能装置作为实现能量的储存、释放或快速功率交换设备能够起到电压支撑的作用。目前光伏、风电等新能源发电技术大多采用电力电子接口设备，在负载中包含大量的非线性负荷，供电系统内会产生大量周期性谐波，影响微电网安全稳定运行。

虽然基于内模原理的重复控制是解决周期性扰动问题的有效手段，具有良好的稳态输出特性和鲁棒性，能够无静差地跟踪输入指令。但由于重复控制控制指令需滞后一个周期才输出，存在动态响应速度慢的问题。PID控制在模拟控制正弦波逆变电源系统中已经得到广泛应用，该控制算法能够保证供电系统的动态特性，增强投切负荷的能力。该算法只能对直流量进行无差跟踪，在控制交流量时会产生稳态误差。

因此，需要提供一种用以解决非线性负荷接入导致供电系统电能质量较差的问题的控制方法，提高储能变流器离网运行时供电系统的电能质量。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于复合控制的离网型储能变流器电压优化控制方法。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种基于复合控制的离网型储能变流器电压优化控制方法，其改进之处在于：所述控制方法为将重复控制和PID控制的输出量相加作为所述储能变流器的控制信号；

所述PID控制为对电压有效值偏差进行调节，获得PID控制量；

所述重复控制为对所述储能变流器输出电压实际值和模拟正弦电压的偏差进行调节，获得重复控制量。

进一步的，所述电压优化控制方法包括以下步骤：

I、获取所述储能变流器交流侧的三相电压U_a、U_b、U_c；

II、根据所述PID控制调节电压有效值偏差；

III、根据所述重复控制调节模拟正弦电压和所述储能变流器输出电压实际值的偏差；

IV、PWM控制模块确定PWM调制波，控制功率器件开关动作。

进一步的，所述步骤II包括以下步骤：

S201、根据所述三相电压U_a、U_b、U_c获取所述三相电压的有效值；

S202、获取所述三相电压的有效值和电压给定值之间差值，按下式调节三相电压的有效值偏差，并对调节后获得的电流值进行电流限幅处理：

$u\left(k\right)=k_{p}e\left(k\right)+k_i\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+k_d[e\left(k\right)-e(k-1)];$

式中，e(k)为当前时刻的电压偏差，e(k-1)为前一时刻的电压偏差，k_p、k_i、k_d分别表示电压环PID调节器的比例、积分、微分系数；

S203、运用定频控制策略，将频率指令经积分运算确定A相电压相位θ，根据三相平衡电压矢量关系确定B、C两相电压相位，由正弦函数确定三相单位正弦电压；

S204、根据经所述电流限幅处理后的电流信号和所述三相单位正弦电压相乘获得电压控制量。

进一步的，所述步骤III中，所述储能变流器的输出电压实际值由重复控制器调节后与PID控制输出结果叠加作为各相调制波，将所述调制波进行dq坐标转换后输入所述PWM控制模块。

进一步的，所述重复控制器的输入信号为给定正弦电压信号和储能变流器相电压信号，所述重复控制器的输出信号与所述储能变流器的电压控制量相加后进行dq坐标转换。

进一步的，所述重复控制器包括依次连接的第一加法器、第二加法器、延时器、补偿器和第三加法器，所述延时器的另一输出端连接带限滤波器的输入端，所述带限滤波器的输出端连接所述第二加法器的输入端；

所述第一加法器的输入端接收所述给定正弦电压信号和所述储能变流器相电压信号；所述第二加法器的输入端接收所述第一加法器的输出信号和误差信号。

进一步的，所述步骤IV中，所述PWM控制模块根据PID控制电压补偿值和重复控制电压补偿值两者的叠加结果确定PWM调制波，控制所述储能变流器的开关动作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的方法通过复合控制对电压进行优化控制，微电网系统取得低畸变率电压波形同时具有良好动态响应能力。

2、本发明的方法通过复合控制，能够有效的解决微电网系统非线性负荷接入时电能质量较差问题。

3、本发明的方法在电压偏差通过PID模块运算后经电流限幅处理，增强了系统的稳定性，具有有效防止电流偏差过大作用。

4、本发明的方法比单独采用PID控制方法，在微电网离网运行时能够有效的降低电压、电流的谐波，提高供电系统的供电可靠性。

5、本发明的方法中，将复合控制技术在储能变流器离网运行条件下的应用，解决微电网电压谐波问题，本方法的重复控制技术所产生的调节量直接与PID调节后调节量在调制度上叠加。

附图说明

图1为本实施例中分布式电源微网系统结构示意图；

图2为本发明中PCS离网复合控制策略控制框图；

图3为本发明中嵌入式重复控制系统框图；

图4为本实施例中采用传统PID控制时储能变流器带非线性负载时负载电流与电压波形示意图；

图5为本实施例中采用重复控制与PID控制相结合的复合控制时储能变流器带非线性负载时负载电流与电压波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如图1所示，图1为本实施例中分布式电源微网系统结构示意图，本实施例的分布式电源微网系统包括380KV交流微电网母线、风力发电系统、光伏发电系统、储能系统、用户负荷、远程监控系统和协调控制器。

风力发电系统、光伏发电系统、储能系统、用户负荷分别连接380KV交流微电网母线，远程监控系统和协调控制器相互通信，协调控制器接入风力发电系统、光伏发电系统、储能系统、用户负荷。

风力发电系统包括依次连接的支路开关、风机逆变器、风机控制器和风电机组；光伏发电系统包括依次连接的支路开关、逆变器、汇流箱和光伏组件阵列；储能系统包括依次连接的支路开关、储能变流器、电池堆和BMS，所述储能变流器和所述BMS相连；所述用户负荷包括相连的支路开关和负荷。

所述风力发电系统、光伏发电系统、储能系统、用户负荷的支路开关连接所述交流微电网；所述协调控制器与所述支路开关、所述风机逆变器、所述风机控制器、所述逆变器、所述汇流箱、所述PCS、所述电池堆和所述BMS连接。

协调控制器实现对所述储能变流器的电压控制。

如图2所示，图2为本发明中PCS离网复合控制策略控制框图；图中，U_a、U_b、U_c分别为储能变流器交流侧的三相电压实际值，u_a、u_b、u_c分别为三相电压控制量，U_ref为电压指令，U_ref-ua、U_ref-ub、U_ref-uc分别为三相电压的给定正弦电压信号。

本发明提供的一种基于复合控制的储能变流器的电压优化控制方法将重复控制和PID控制的输出量相加作为所述储能变流器的控制信号。

PID控制为对电压有效值偏差进行调节，获得PID控制量；重复控制为对所述储能变流器输出电压实际值和模拟正弦电压的偏差进行调节，获得重复控制量。

具体包括以下步骤：

步骤一、获取所述储能变流器交流侧的三相电压U_a、U_b、U_c；

步骤二、根据所述PID控制对电压有效值偏差进行调节；

步骤三、根据所述重复控制对模拟正弦电压和所述储能变流器输出电压实际值的偏差进行调节；

步骤四、PWM控制模块确定PWM调制波，控制功率器件开关动作。

步骤二中，具体包括以下步骤：

S201、根据述储能变流器交流侧的三相电压U_a、U_b、U_c获取三相电压的有效值；

S202、获取所述三相电压的有效值和电压给定值之间差值，按下式对三相电压的有效值偏差进行调节并进行限幅处理：

$u\left(k\right)=k_{p}e\left(k\right)+k_i\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+k_d[e\left(k\right)-e(k-1)]---\left(1\right)$

式中，e(k)为当前时刻的电压偏差，e(k-1)为前一时刻的电压偏差，k_p、k_i、k_d分别表示电压环PID调节器的比例、积分、微分系数；

S203、运用定频控制策略，将频率指令F经积分运算得到A相电压相位θ，根据三相平衡电压矢量关系确定B、C两相电压相位，由正弦函数确定三相单位正弦电压；

S204、根据经过电流限幅处理的信号和所述三相单位正弦电压相乘获得电压控制量。

步骤三中，储能变流器的输出电压实际值由重复控制器调节后与PID控制输出结果叠加作为调制波输入所述PWM控制模块；具体包括以下步骤：

如图3所示，图3为本发明中嵌入式重复控制系统框图；所述重复控制器的输入信号为给定正弦电压信号和储能变流器相电压信号，所述重复控制器的输出信号与所述储能变流器的电压控制量相加后进行dq坐标转换。

重复控制器包括依次相连的第一加法器、第二加法器、延时器、补偿器和第三加法器，所述延时器的另一输出端连接带限滤波器的输入端，所述带限滤波器的输出端连接所述第二加法器的输入端；

所述第一加法器的输入端接收所述给定正弦电压信号和所述储能变流器相电压信号；所述第二加法器的输入端接收所述第一加法器的输出信号和误差信号。

图3中，U_ref-ui为给定正弦电压信号(i为a、b或c)，U_i为检测储能变流器各相输出电压实际值(i为a、b或c)，e为误差信号，z^-N为延时器，实现周期性延时，Q(z)为带限滤波器，S(z)为补偿器，y为输出控制量。

本实施例中给出重复控制器设计如下：

设定采样频率为6.4kHZ，求得基波周期采样次数：

$N=\frac{6400}{50}=128---\left(2\right)$

考虑带限滤波器Q(z)取值大小在重复控制器稳定性和稳态误差之间矛盾关系，设计中折中选取Q(z)＝0.95。

补偿器S(z)为：

S(z)＝K_rz^kS₁(z)S₂(z) (3)

其中，K_r为重复控制增益，z^k为相位超前环节，S₁(z)、S₂(z)均为滤波器，S₁(z)为二阶低通滤波器，主要用于高频衰减。由于PID控制器作用已消除变流器谐振峰，因此可省掉零相移陷波器S₂(z)设计。

$S_1\left(s\right)=\frac{{{\mathrm{\ω}}_n}^2}{s^2+2\mathrm{\ξ}{{\mathrm{\ω}}_n}^2+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}---\left(4\right)$

为加快误差收敛速度取K_r＝1，由自动控制相关知识选择二阶滤波器阻尼比ξ＝0.707，获得系统波特图，根据滞后的相位设定补偿环节z^k。

步骤四中，PWM控制模块根据PID控制电压补偿值和重复控制电压补偿值两者的叠加结果确定PWM调制波，控制所述储能变流器的开关动作。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于复合控制的离网型储能变流器电压优化控制方法，其特征在于：所述优化控制方法为将重复控制和PID控制的输出量相加作为所述储能变流器的控制信号；

所述PID控制为对电压有效值偏差进行调节，获得PID控制量；

所述重复控制为对所述储能变流器输出电压实际值和模拟正弦电压的偏差进行调节，获得重复控制量；

所述电压优化控制方法包括以下步骤：

I、获取所述储能变流器交流侧的三相电压U_a、U_b、U_c；

II、根据所述PID控制调节电压有效值偏差；

III、根据所述重复控制调节模拟正弦电压和所述储能变流器输出电压实际值的偏差；

IV、PWM控制模块确定PWM调制波，控制功率器件开关动作；

所述步骤II包括以下步骤：

S201、根据所述三相电压U_a、U_b、U_c获取所述三相电压的有效值；

S202、获取所述三相电压的有效值和电压给定值之间差值得到电压有效值偏差u(k)，并按下式调节电压有效值偏差u(k)，并对调节后获得的电流值进行电流限幅处理；

$u\left(k\right)=k_{p}e\left(k\right)+k_i\underset{j=0}{\overset{k}{\Σ}}e\left(j\right)+k_d\[e\left(k\right)-e(k-1)\];$

式中，e(k)为当前时刻的电压偏差，e(k-1)为前一时刻的电压偏差，k_p、k_i、k_d分别表示电压环PID调节器的比例系数、积分系数、微分系数；

S203、运用定频控制策略，将频率指令经积分运算确定a相电压相位θ，根据三相平衡电压矢量关系确定b、c两相电压相位，由正弦函数确定三相单位正弦电压；

S204、根据经所述电流限幅处理后的电流值和所述三相单位正弦电压相乘获得电压控制量；

重复控制器包括依次连接的第一加法器、第二加法器、延时器、补偿器和第三加法器，所述延时器的输出端连接带限滤波器的输入端，所述带限滤波器的输出端连接所述第二加法器的输入端；

所述第一加法器的输入端接收所述模拟正弦电压信号和所述储能变流器相电压信号；所述第二加法器的输入端接收所述第一加法器的输出的误差信号和带限滤波器的输出信号。

2.如权利要求1所述的优化控制方法，其特征在于：所述步骤III中，所述储能变流器的输出电压实际值由重复控制器调节后与PID控制输出结果叠加作为各相调制波，将所述调制波进行dq坐标转换后输入所述PWM控制模块。

3.如权利要求2所述的优化控制方法，其特征在于：所述重复控制器的输入信号为模拟正弦电压信号和储能变流器相电压信号，所述重复控制器的输出信号与所述储能变流器的电压控制量相加后进行dq坐标转换。

4.如权利要求1所述的优化控制方法，其特征在于：所述步骤IV中，所述PWM控制模块根据PID控制电压补偿值和重复控制电压补偿值两者的叠加结果确定PWM调制波，控制所述储能变流器的开关动作。