CN105978024A - 一种基于复变量的储能逆变器并离网无缝切换控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复变量的储能逆变器并离网无缝切换控制算法，属于分布式电源并网控制领域，该算法能够应用于规模较大的微电网运行模式无缝切换控制，保证切换过程中关键负荷的不间断供电和分布式电源的稳定运行，提高微电网的供电可靠性。本发明通过定义复变量，将电压控制、电流控制以及锁频环串联成有机整体，简化无缝切换控制流程。利用在指定频率处有无穷大增益并具有极性选择特性的动态内模，设计具有“离散谐振器”特性的锁频环结构，实现微电网并网转离网过程中输出电压相位不突变。采用线性二次型最优调节，设计复控制参数的统一计算方法，简化多复控制参数设计过程。

Description

一种基于复变量的储能逆变器并离网无缝切换控制算法

技术领域

本发明涉及微电网无缝切换控制技术领域，具体涉及一种基于复变量的储能逆变器并离网无缝切换控制算法。

背景技术

微电网两种基本运行方式：并网(grid-connected,GC)和孤岛(stand-alone,SA)的无缝切换控制是保证关键负荷不间断供电的关键技术。无缝切换控制算法大多采用控制模式切换的方法，该方法在切换过程中易产生过电压和冲击电流，影响微电网安全稳定运行。

依托储能逆变器为载体，基于复变量设计微电网储能逆变器无缝切换控制算法，利用具有离散谐振器特性的锁频环结构，保证GC切换至SA模式时微电网输出电压连续相位不突变。所提算法具有良好的动态性能，平滑的切换过程，较短的切换过渡时间，能确保切换过程中分布式电源的不间断运行，提高供电可靠性。

发明内容

发明目的：为了减小上述控制模式切换过程中电压电流冲击的影响，提高电压波形的质量，保证关键负荷的供电及光伏不脱落。

技术方案：本发明提供以下技术方案：

一种基于复变量的储能逆变器并离网无缝切换控制算法，包括以下步骤：

(1)在αβ坐标系下，基于瞬时无功功率理论，以复变量的形式定义储能逆变器电感电流，电流控制器参考电流，储能逆变器输出电容电压，电压控制器参考电压，电网电压，观测的电网电压基波正序输出信号，辅助状态变量，控制输入信号等变量，将锁频环模块与电压、电流控制模块串联成有机整体，从系统的角度设计无缝切换控制算法；

(2)利用在指定频率处有无穷大增益并具有极性选择特性的动态内模，设计具有离散谐振器特性的锁频环结构，保证微电网并网转离网的过程中输出电压相位不突变，实现离网转并网过程中电压快速准确预同步；

(3)采用现代控制理论线性二次型最优调节，取状态变量和控制变量的二次型函数的积分为二次型性能指标泛函，得到状态反馈控制律的统一解析表达式，简化多复控制参数的设计过程，利于工程实现。

所述在αβ坐标系中定义复变量如下式：

式中：复变量i表示储能逆变器电感电流，i^*表示电流控制器参考电流，u表示储能逆变器输出电容电压，u^*表示电压控制器参考电压，u_g表示电网电压，y⁽⁺⁾表示观测的电网电压基波正序输出信号，x表示辅助状态变量，v_c表示控制输入信号，j为虚数单位。

基于该定义形成复变量信息流，将电压控制、电流控制以及锁频环串联成有机整体，简化无缝切换控制流程。

所述具有离散谐振器特性的锁频环的预滤波器传递函数如下式：

式中：表示观测的电网电压基波正序输出信号，v_k表示内模的输入信号，ω_r表示正序中心频率，T_s表示采样频率，表示辅助状态变量，z表示Z变换算子，G表示状态转移矩阵。

所设计的预滤波器传递函数在正序中心频率处有无穷大增益，本质上为离散谐振器，冲击响应为正序正弦信号。利用此特点，当GC切换至SA模式时，实现输出电压相位不突变，提高系统的动态性能，平滑切换过程。

所述定义线性系统的二次型性能指标如下式：

式中：上标H表示共轭转置，Q为对称非负定权矩阵,一般为对角阵，r为正定的权矩阵x_∑表示增广状态变量，v_c表示控制输入信号。

通过求取线性系统的最优二次型性能指标，求得动态系统最优控制解的统一解析表达式，简化多复控制参数的设计过程，利于工程实现。

有益效果：本发明与现有技术相比较，具有以下优点：

本发明适用于微源、负荷或节点较多的微电网，基于复变量系统设计微电网无缝切换控制算法。

(1)该算法依托储能逆变器为载体，基于复变量设计微电网储能逆变器无缝切换控制算法，利用具有“离散谐振器”特性的锁频环结构，保证GC切换至SA模式时微电网输出电压相位不突变。具有良好的动态性能，平滑的切换过程，较短的切换过渡时间，能确保切换过程中分布式电源的不间断运行，提高供电可靠性。

(2)该算法基于复变量设计有机统一了锁频环、电压控制及电流控制，更加系统地设计无缝切换控制流程，从而简化切换控制时序，保证实际切换过程的简单有效。

(3)该锁频环的动态内模在指定频率处有无穷大增益且具有极性选择特性，能保证微电网并网转离网的过程中输出电压相位不突变，实现并离网切换的平滑过渡。

(4)相比于采用经典控制理论方法(如：根轨迹法、波特图法等)设计复控制参数，本发明采用现代控制理论线性二次型最优调节，求解状态反馈控制律的统一解析表达式，可简化多复控制参数的设计过程，利于工程实现。

附图说明

图1为本发明的控制算法结构图；

图2为储能逆变系统结构图；

图3为锁频环结构图；

图4为电流控制器结构图；

图5为电压控制器结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作更进一步的说明。

本发明公开了一种基于复变量的储能逆变器并离网无缝切换控制算法。

本发明包括以下具体步骤：

(1)在αβ坐标系下，基于瞬时无功功率理论，以复变量的形式定义储能逆变器电感电流，电流控制器参考电流，储能逆变器输出电容电压，电压控制器参考电压，电网电压，观测的电网电压基波正序输出信号，辅助状态变量，控制输入信号等变量，将锁频环模块与电压、电流控制模块串联成有机整体，从系统的角度设计无缝切换控制算法；

(2)利用在指定频率处有无穷大增益并具有极性选择特性的动态内模，设计具有离散谐振器特性的锁频环结构，保证微电网并网转离网的过程中输出电压相位不突变，实现离网转并网过程中电压快速准确预同步；

(3)采用现代控制理论线性二次型最优调节，取状态变量和控制变量的二次型函数的积分为二次型性能指标泛函，得到状态反馈控制律的统一解析表达式，简化多复控制参数的设计过程，利于工程实现。

关于步骤(1)，本发明图2所示的储能逆变系统，包括简单微电网的基本元素：光伏电源、储能系统、负荷以及并离网开关S。S闭合时，微电网处于GC状态，此时光伏逆变器与储能逆变器都为电流控制的电压源型逆变器，实现并网有功、无功控制；S断开后，微电网进入SA模式，考虑储能的功率双向运行特性，微电网由GC切换至SA时选择储能逆变器提供电压支持，储能逆变器切换为电压控制的电压源型逆变器。

关于步骤(1)，本发明针对图2所示储能逆变系统设计其支持并离网运行的控制算法如图1。图1中V*表示电压幅值参考值，ω*表示电压频率参考值，p*、q*分别表示有功及无功参考值，双箭头表示复变量信息流。

在αβ坐标系中定义复变量如下：

式中：复变量i表示储能逆变器电感电流，i^*表示电流控制器参考电流，u表示储能逆变器输出电容电压，u^*表示电压控制器参考电压，u_g表示电网电压，y⁽⁺⁾表示观测的电网电压基波正序输出信号，x表示辅助状态变量，v_c表示控制输入信号，j为虚数单位。

电压控制、电流控制以及锁频环(frequency locked-loop，FLL)依靠复变量信息流的串联而成为有机的整体。电压及电流控制器作为跟踪控制器，状态反馈控制作为稳定内核算法，优化配置逆变器自然闭环极点分布，改善其动态响应，以减小切换时的扰动影响，优化后的广义闭环系统作为电压及电流控制的控制对象。GC模式时，FLL给电流控制器提供电网频率作为基准；SA模式时，电压幅值及频率参考为固定值，或者当存在上层控制或者下垂控制时，可由上层控制或下垂控制设置。

关于步骤(2)，本发明设计具有“离散谐振器”特性的锁频环结构如图3所示。并网时，FLL为电流控制提供频率参考及电网相位信息，用以计算电流参考值，离网时为电压控制提供瞬时参考值，并网转离网瞬间保证电压的连续性，离网转并网时则用于电压的预同步。

电网电压复变量信号输入FLL，假设FLL锁频成功即时，表示观测的电网电压基波正序输出信号，计算v_k到的传递函数：

式中：表示观测的电网电压基波正序输出信号，v_k表示内模的输入信号，ω_r表示正序中心频率，T_s表示采样频率，表示辅助状态变量，z表示Z变换算子，G表示状态转移矩阵。

此传递函数在正序中心频率处具有无穷大增益，其本质上为离散谐振器，冲击响应为正序正弦信号，因而当输入信号变为零时，其将产生连续的正序正弦信号。利用此特点，当切换至SA模式时，将系数μ置为零，同时将FLL输出作为电压参考值，即可得到与原电网电压连续无相位跳变的参考电压值，进而保证输出电压不出现相位突变。

关于步骤(3)，本发明设计,电压电流控制策略如图1所示，广义控制对象作为电压及电流控制对象。αβ坐标系下，离散化后的逆变器状态空间模型为：

在状态反馈控制律K的作用下，通过计算得到电流电压广义控制对象传递函数：

G_ou＝C_u(zI-G+HK)^-1H (4)

G_oi＝C_i(zI-G+HK)^-1H (5)

电压电流控制器作为跟踪控制器，利用式(2)在指定频率处具有无穷大增益，并且具有极性选择特性，设计正、负序电压电流控制器分别如式(6)和式(7)，据此设计电流及电压控制器结构如图4和图5。

采用现代控制理论线性二次型最优调节设计复控制参数K、K_i与K_u，首先根据控制器输入方程(8)结合控制器的状态空间实现结构计算增广状态方程(9)：

e＝y^*-Cx(8)

增广状态变量为：

x_∑＝[xx_c]＝[iu x_c]^T (10)

H_∑＝[H 0]^T (12)

C_∑＝[C 0] (13)

F_∑＝[F 0]^T (14)

R_∑＝[0 1]^T (15)

定义二次型性能指标：

式中：上标H表示共轭转置，Q为对称非负定权矩阵(一般为对角阵)，r为正定的权矩阵x_∑表示增广状态变量，v_c表示控制输入信号。利用matlab自带的dlqr()函数可方便的计算状态反馈控制律。控制律可表示为：

式(17)中K_c即为复控制参数，当C取C_i即电流控制时，K_c即为电流控制参数K_i，电压控制器参数亦然如此。

Claims (4)

1.一种基于复变量的储能逆变器并离网无缝切换控制算法，其特征在于:包括以下步骤：

(1)在αβ坐标系下，基于瞬时无功功率理论，以复变量的形式定义储能逆变器电感电流，电流控制器参考电流，储能逆变器输出电容电压，电压控制器参考电压，电网电压，观测的电网电压基波正序输出信号，辅助状态变量，控制输入信号等变量，将锁频环模块与电压、电流控制模块串联成有机整体，从系统的角度设计无缝切换控制算法；

(2)利用在指定频率处有无穷大增益并具有极性选择特性的动态内模，设计具有离散谐振器特性的锁频环结构，保证微电网并网转离网的过程中输出电压相位不突变，实现离网转并网过程中电压快速准确预同步；

(3)采用现代控制理论线性二次型最优调节，取状态变量和控制变量的二次型函数的积分为二次型性能指标泛函，得到状态反馈控制律的统一解析表达式。

2.根据权利要求1所述的基于复变量的储能逆变器并离网无缝切换控制算法法，其特征在于：所述步骤(1)中，在αβ坐标系中定义二维向量即复变量，分别对应α轴及β轴输入，具体形式如下式：

$\left\{\begin{array}{c}i=i_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{ji}}_{\mathrm{\β}}\\ i^{*}={i^{*}}_{\mathrm{\α}}+{{\mathrm{ji}}^{*}}_{\mathrm{\β}}\\ u=u_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{ju}}_{\mathrm{\β}}\\ u^{*}={u^{*}}_{\mathrm{\α}}+{{\mathrm{ju}}^{*}}_{\mathrm{\β}}\\ u_g=u_{g\mathrm{\α}}+{\mathrm{ju}}_{g\mathrm{\β}}\\ y^{(+)}={y^{(+)}}_{\mathrm{\α}}+{{\mathrm{jy}}^{(+)}}_{\mathrm{\β}}\\ x=x_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{jx}}_{\mathrm{\β}}\\ v_c=v_{c\mathrm{\α}}+{\mathrm{jv}}_{c\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：复变量i表示储能逆变器电感电流，i^*表示电流控制器参考电流，u表示储能逆变器输出电容电压，u^*表示电压控制器参考电压，u_g表示电网电压，y⁽⁺⁾表示观测的电网电压基波正序输出信号，x表示辅助状态变量，v_c表示控制输入信号，j为虚数单位。

3.根据权利要求1所述的基于复变量的储能逆变器并离网无缝切换控制算法法,其特征在于：所述步骤(2)中，设计锁频环的预滤波器传递函数如下式：

$\begin{array}{c}\frac{y_k^{(+)}}{v_k}=\frac{{\mathrm{\ω}}_r{T}_s{\mathrm{zx}}_k^{(+)}}{v_k}={\mathrm{\ω}}_r{T}_{s}z{(z-G({\mathrm{\ω}}_r{T}_s\left)\right)}^{-1}\\ =\frac{{\mathrm{\ω}}_r{T}_{s}z}{z-e^{{\mathrm{j\ω}}_r{T}_s}}\end{array}---\left(2\right)$

式中：表示观测的电网电压基波正序输出信号，v_k表示内模的输入信号，ω_r表示正序中心频率，T_s表示采样频率，表示辅助状态变量，z表示Z变换算子，G表示状态转移矩阵。

4.根据权利要求1所述的基于复变量的微电网储能逆变器无缝切换控制算法,其特征在于：所述步骤(3)中，定义二次型性能指标如下式：

$V=\frac{1}{2}{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}\left(x_{\mathrm{\Σ}}^H\right(t\left){\mathrm{Qx}}_{\mathrm{\Σ}}\right(t)+v_c^H(t\left){\mathrm{rv}}_c\right(t)dt---\left(3\right)$

式中：上标H表示共轭转置，Q为对称非负定权矩阵，r为正定的权矩阵x_∑表示增广状态变量，v_c表示控制输入信号。