CN107070286B - 用于超级电容器储能系统变流器的控制方法 - Google Patents
用于超级电容器储能系统变流器的控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是一种用于超级电容器储能系统变流器的控制方法,其特点是，包括分析超级电容器储能系统处于不同工作模式的能量分布状态、建立系统的数学模型、设计双向DC/DC变流器的控制策略和设计DC/AC电压源型变流器的控制策略等内容，采用双向DC/DC变换器和DC/AC电压源型变流器作为功率调整装置，实现对超级电容器储能系统功率吞吐和直流侧电压的控制。基于PSCAD/EMTDC软件搭建仿真系统，表明超级电容器储能系统能够实现对指定充放电功率准确快速的响应，直流侧电压工作稳定，工作效率高。
Description
技术领域
本发明涉及超级电容器储能的控制方法，是一种用于超级电容器储能系统变流器的控制方法,用于改善以风电、光伏为代表的分布式电源出力品质。
背景技术
随着化石燃料枯竭、全球气候变暖的问题日益严峻，风电、光伏等可再生能源发展受到了高度关注。目前的电力系统中，以风电、光伏为代表的新能源比例越来越高，但由于其本身波动性、随机性等特征使得电能供应品质恶化，从而限制了风电、光伏的接入。
储能系统由于可以对能量实现时空平移，而被视为改善分布式电源平滑并网的有效手段之一，近年来得到了高度的重视。与普通的化学电池相比，超级电容器通过电荷的转移和离子的取向控制电能的充放，电极表面没有发生化学反应，容量衰减几乎为零，因此其循环寿命长、响应速度快以及充放电效率高等特性是任何一种化学电源所无法比拟的
发明内容
本发明的目的是，克服现有技术的不足，提供一种科学合理，效果佳，能够对变流器实施准确控制，从而实现超级电容器对功率准确、快速跟踪的用于超级电容器储能系统变流器的控制方法。
实现本发明目的采用的技术方案是，一种用于超级电容器储能系统变流器的控制方法，其特征是：将超级电容器与双向DC/DC变换器相连后，经DC/AC变流器接入电网，利用双闭环解耦的控制，通过DC/AC变流器，准确控制所要交换的有功、无功功率，对DC/DC变换器进行单端稳压双向功率流的控制，稳定直流母线电压，保证交换功率的双向流动，实现超级电容器与交流系统功率的有效交换，改善新能源发电的电能品质的同时，提高新能源并网规模，其具体内容包括：
1)分析超级电容器储能系统处于不同工作模式的能量分布状态
当DC/DC变换器工作为降压模式时，VC1和VD2为变换器的动作开关，当DC/DC变换器工作为升压模式时，VC2和VD1为变换器的动作开关，变换器VC1和VC2为脉宽调制控制开关；
2)建立系统的数学模型
无论电路处于升压模式还是降压模式，其数学模型在形式上相同，只是电流iL方向不同而已，因此以双向DC/DC变换器的升压模式，即iL>0，设V2的占空比为D，则根据状态空间平均法得：
式(1)为超级电容器储能系统数学模型，此模型为二阶线性系统，其中，R、L、C分别表示变流器中的电阻值、电感值和电容值，iL为流过变流器中的电感的电流、直流侧电压输出udc为状态量，占空比D为控制量，Li是斩波电路中的电感值，电阻ri和电压u分别为电压源UC的内阻值和电压值，且均为已知量，当系统的控制变量被确定后，状态变量即可求解，
DC/AC电压源型变流器，DC/AC变流器的每一种工作模式的每一相的数学模型在形式上是相同的，以A相为例：V1导通V2关断时，输出电压udc为正；V1关断V2导通时，输出电压udc为负。因此分别设三相开关函数为ma、mb、mc，将其单相扩展为三相电压源型变流器的数学模型，如式(2)
式中：Ea、Eb、Ec为交流系统电压，ia、ib、ic为变流器相电流，为分析方便，将式(2)变换到两相同步旋转坐标系下的变流器模型，如式(3)，
式(3)为DC/AC变流器数学模式，二阶线性系统，Ed、Eq是电网电压的d、q轴分量，为已知量，id、iq是电网电流空间矢量的d、q轴分量，为状态量；ud、uq为变流器电压的d、q轴分量，为控制量，当变流器电压被确定后，id、iq即可求解；
3)设计双向DC/DC变流器的控制方法
双向DC/DC变换器的控制目标是实现直流侧电压udc恒定，同时通过对占空比D的控制实现DC/DC变换器两种工作模式的切换，进而实现超级电容器的充放电功能，以储能系统数学模型为基础，实现单端稳压双向功率流的控制，V2的占空比为D，超级电容器端电感电流，如式(4)，其中，uc表示电容C两端电压
当D<1-Uc/udc时，DC/DC变换器工作于降压模式，iL<0，功率流向超级电容器端；当D>1-Uc/udc时，DC/DC变换器工作于升压模式，iL>0，功率流向直流母线端，实现功率的双向流动，
双向DC/DC变换器控制采用电压变量获得开关管的占空比，见下式(5)，为保持直流侧母线电压恒定，实测量udc作为反馈量被控制，并通过电压调节器获得满足电压恒定值的参考电流idc-ref，如式(6)，根据功率守恒原理和直流变换器占空比的定义，得到超级电容器储能系统充放电参考电流iL-ref，再与实际充放电电流iL相比，经电流调节器和PWM脉宽调节产生控制DC/DC变换器开关器件的控制信号，达到直流母线电压恒定的目标，
idc-ref＝kp(udc-ref-udc)+ki∫(udc-ref-udc)dt (6)
其中，udc-ref表示系统充放电参考电压；kp、ki分别表示比例调节系数和积分调节系数；
4)设计DC/AC电压源型变流器的控制方法
基于DC/AC电压源型变流器数学模型和瞬时功率理论，变流器与交流系统间交换的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q如式(7)
因此当电网电压空间矢量幅值E是恒定值时，可通过有功电流id和无功电流iq来分别反应有功功率和无功功率的变化，外环控制器用于实现超级电容器储能系统与交流系统之间指定功率的设定与跟踪，实现超级电容器储能系统在电力系统中的应用，根据指定参考值与实际值间的误差，经功率调节器得到满足指定交换功率的电流参考值，即内环控制器的输入参考电流idref、iqref，并对电网扰动电压Ed、Eq采取前馈补偿，同时引入d、q轴电压耦合补偿项ΔUd、ΔUq，实现d、q轴电流的独立解耦控制，进而实现有功功率、无功功率的解耦控制，DC/AC变流器的电压控制方程如式(8)，其中，kp1、kp2分别表示d轴和q轴的比例调节系数，ki1、ki2分别表示d轴和q轴的积分调节系数，
电压耦合补偿量如式(9)
将Ud、Uq从两相旋转坐标系逆变到三相静止坐标系下得Ua、Ub、Uc，再通过PWM脉宽调制的参考值，产生变流器的控制信号，实现DC/AC变流器指定工作模式的转换。
本发明的用于超级电容器储能系统变流器的控制方法的有益效果体现在：通过分析超级电容器不同工作模式下的能量分布而建立数学模型，同时通过对变流器的准确控制，而实现超级电容器对功率准确、快速的跟踪。其科学合理，效果佳。
附图说明
图1变换器降压工作模式示意图；
图2变换器升压工作模式示意图；
图3DC/AC电压源型变流器工作模式示意图；
图4双向DC/DC变换器控制框图；
图5DC/AC变流器控制框图；
图6指定功率跟踪曲线示意图；
图7局部功率放大图示意图；
图8交流侧A相电压与电流示意图；
图9超级电容器侧与交流系统侧功率示意图；
图10超级电容器直流母线侧电压Udc示意图。
具体实施方式
下面利用附图和实施例对本发明用于超级电容器储能系统变流器的控制方法作进一步说明。
本发明的用于超级电容器储能系统变流器的控制方法，包括以下步骤：
1)分析超级电容器储能系统处于不同工作模式的能量分布状态
当DC/DC变换器工作为降压模式时，如图1，此时VC1和VD2为动作开关。当DC/DC变换器工作为升压模式时，如图2，此时VC2和VD1为动作开关。VC1和VC2为脉宽调制控制开关。
2)建立系统的数学模型
无论电路处于升压模式还是降压模式，其数学模型在形式上相同，只是电流iL方向不同而已。因此以双向DC/DC变换器的升压模式(iL>0)为例，设V2的占空比为D，则根据状态空间平均法得：
式(1)为超级电容器储能系统数学模型，此模型为二阶线性系统，其中，R、L、C分别表示变流器中的电阻值、电感值和电容值，iL为流过变流器中的电感的电流、直流侧电压输出udc为状态量，占空比D为控制量，Li是斩波电路中的电感值，电阻ri和电压u分别为电压源UC的内阻值和电压值，且均为已知量，当系统的控制变量被确定后，状态变量即可求解。
DC/AC电压源型变流器，DC/AC变流器的每一种工作模式的每一相的数学模型在形式上是相同的，以A相为例：当V1导通V2关断时，输出电压udc为正；V1关断V2导通时，输出电压udc为负。
因此分别设三相开关函数为ma、mb、mc，将其单相扩展为三相电压源型变流器的数学模型，如式(2)
式中：Ea、Eb、Ec为交流系统电压，ia、ib、ic为变流器相电流。为分析方便，将上述方程变换到两相同步旋转坐标系下的变流器模型，如式(3)。
式(3)为DC/AC变流器数学模式，二阶线性系统。Ed、Eq是电网电压的d、q轴分量，为已知量。id、iq是电网电流空间矢量的d、q轴分量，为状态量；ud、uq为变流器电压的d、q轴分量，为控制量。可见，当变流器电压被确定后，id、iq即可求解。
3)设计双向DC/DC变流器的控制方法
双向DC/DC变换器的控制目标是实现直流侧电压udc恒定，同时通过对占空比D的控制实现DC/DC变换器两种工作模式的切换，进而实现超级电容器的充放电功能。以储能系统数学模型为基础，实现单端稳压双向功率流的控制。V2的占空比为D，超级电容器端电感电流，如式(4)，其中，uc表示电容C两端电压
当D<1-Uc/udc时，DC/DC变换器工作于降压模式，iL<0，功率流向超级电容器端；当D>1-Uc/udc时，DC/DC变换器工作于升压模式，iL>0，功率流向直流母线端。实现功率的双向流动。
双向DC/DC变换器控制框图如图4所示。用电压变量获得开关管的占空比，见下式(5)。为保持直流侧母线电压恒定，实测量udc作为反馈量被控制。并通过电压调节器获得满足电压恒定值的参考电流idc-ref，如式(6)，根据功率守恒原理和直流变换器占空比的定义，可得到超级电容器储能系统充放电参考电流iL-ref，再与实际充放电电流iL相比，经电流调节器和PWM脉宽调节产生控制DC/DC变换器开关器件的控制信号。达到直流母线电压恒定的目标。
idc-ref＝kp(udc-ref-udc)+ki∫(udc-ref-udc)dt (6)
4)设计DC/AC电压源型变流器的控制方法
基于DC/AC电压源型变流器数学模型和基于瞬时功率理论，变流器与交流系统间交换的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q如式(7)
因此当电网电压空间矢量幅值E是恒定值时，可通过有功电流id和无功电流iq来分别反应有功功率和无功功率的变化。外环控制器用于实现超级电容器储能系统与交流系统之间指定功率的设定与跟踪，如图5，实现超级电容器储能系统在电力系统中的应用。根据指定参考值与实际值间的误差，经功率调节器得到满足指定交换功率的电流参考值，即内环控制器的输入参考电流idref、iqref。并对电网扰动电压Ed、Eq采取前馈补偿，同时引入d、q轴电压耦合补偿项ΔUd、ΔUq，实现d、q轴电流的独立解耦控制，进而实现有功功率、无功功率的解耦控制。DC/AC变流器的电压控制方程如式(8)，其中，kp1、kp2分别表示d轴和q轴的比例调节系数，ki1、ki2分别表示d轴和q轴的积分调节系数。
电压耦合补偿量如式(9)
将Ud、Uq从两相旋转坐标系逆变到三相静止坐标系下得Ua、Ub、Uc，再通过PWM脉宽调制的参考值，产生变流器的控制信号。实现DC/AC变流器指定工作模式的转换。
在PSCAD/EMTDC软件中建立容量为30kW500ms超级电容器储能系统。开关管IGBT的仿真参数选用富士公司生产的型号为2MBI 25L-120即额定电流25A额定电压1200V的开关器件。系统其它参数如下表。
表1超级电容器储能系统参数
实施计算条件说明如下：
(1)直流母线电压参考值为700V。；
(2)当t<0.3s时，参考功率Pref＝20kW、Qref＝0kVar；
(3)当t≥0.3s时，参考功率Pref＝-10kW、Qref＝10kVar；
在上述计算条件下，应用本发明方法对超级电容器储能系统控制方法的仿真结果如下：
1.变流器控制策略的仿真验证
如图6为功率响应波形，实际响应功率可对参考值准确跟踪，稳定后有功功率和无功功率波动幅值约为±5％。由图7功率局部放大波形可见，有功功率响应时间为0.4ms，超调量为9.7％；而无功功率响应时间为0.35ms，超调量为7.2％图8交流侧A相电压电流曲线图得，功率传输效果较为理想，系统电流正弦度较好，谐波总畸变率为1.3％。
2.超级电容器不同工作模式的仿真验证
图9为超级电容器侧功率和电压响应波形，当指定功率由正变负，超级电容器可准确响应指定功率的变化，并由仿真结果可得：在超级电容器释能时，交流系统侧功率略低于指定功率；反之超级电容器储能时，超级电容器侧功率略低于指定功率：均由变流器引起的功率损耗所致。图10为直流母线电压Udc仿真波形，直流母线电压在t＝0.305s时上升到0.74kV，持续15ms后恢复至稳定值。主要由于有功功率方向变化而引起直流母线电压的上升，最大波动量0.04kV，超调量为5.7％。
本发明实施例中的计算条件、图、表等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。
Claims (1)
1.一种用于超级电容器储能系统变流器的控制方法，其特征是：将超级电容器与双向DC/DC变换器相连后，经DC/AC变流器接入电网，利用双闭环解耦的控制，通过DC/AC变流器，准确控制所要交换的有功、无功功率，对DC/DC变换器进行单端稳压双向功率流的控制，稳定直流母线电压，保证交换功率的双向流动，实现超级电容器与交流系统功率的有效交换，改善新能源发电的电能品质的同时，提高新能源并网规模，其具体内容包括：
1)分析超级电容器储能系统处于不同工作模式的能量分布状态
当DC/DC变换器工作为降压模式时，变换器VC1和VD2为动作开关，当DC/DC变换器工作为升压模式时，变换器VC2和VD1为动作开关，变换器VC1和VC2为脉宽调制控制开关；
2)建立系统的数学模型
无论电路处于升压模式还是降压模式，其数学模型在形式上相同，只是电流iL方向不同而已，因此以双向DC/DC变换器的升压模式，即iL>0，设V2的占空比为D，则根据状态空间平均法得：
式(1)为超级电容器储能系统数学模型，此模型为二阶线性系统，其中，R、L、C分别表示变流器中的电阻值、电感值和电容值，iL为流过变流器中的电感的电流、直流侧电压输出udc为状态量，占空比D为控制量，Li是斩波电路中的电感值，电阻ri和电压u分别为电压源UC的内阻值和电压值，且均为已知量，当系统的控制变量被确定后，状态变量即可求解，
DC/AC电压源型变流器，DC/AC变流器的每一种工作模式的每一相的数学模型在形式上是相同的，以A相为例：V1导通V2关断时，输出电压udc为正；V1关断V2导通时，输出电压udc为负，因此分别设三相开关函数为ma、mb、mc，将其单相扩展为三相电压源型变流器的数学模型，如式(2)
式中：Ea、Eb、Ec为交流系统电压，ia、ib、ic为变流器相电流，为分析方便，将式(2)变换到两相同步旋转坐标系下的变流器模型，如式(3)，
式(3)为DC/AC变流器数学模式，二阶线性系统，Ed、Eq是电网电压的d、q轴分量，为已知量，id、iq是电网电流空间矢量的d、q轴分量，为状态量；ud、uq为变流器电压的d、q轴分量，为控制量，当变流器电压被确定后，id、iq即可求解；
3)设计双向DC/DC变流器的控制策略
双向DC/DC变换器的控制目标是实现直流侧电压udc恒定，同时通过对占空比D的控制实现DC/DC变换器两种工作模式的切换，进而实现超级电容器的充放电功能，以储能系统数学模型为基础，实现单端稳压双向功率流的控制，V2的占空比为D，超级电容器端电感电流，如式(4)，其中，uc表示电容C两端电压
当D<1-Uc/udc时，DC/DC变换器工作于降压模式，iL<0，功率流向超级电容器端；当D>1-Uc/udc时，DC/DC变换器工作于升压模式，iL>0，功率流向直流母线端，实现功率的双向流动，
双向DC/DC变换器控制采用电压变量获得开关管的占空比，见下式(5)，为保持直流侧母线电压恒定，实测量udc作为反馈量被控制，并通过电压调节器获得满足电压恒定值的参考电流idc-ref，如式(6)，根据功率守恒原理和直流变换器占空比的定义，得到超级电容器储能系统充放电参考电流iL-ref，再与实际充放电电流iL相比，经电流调节器和PWM脉宽调节产生控制DC/DC变换器开关器件的控制信号，达到直流母线电压恒定的目标，
idc-ref＝kp(udc-ref-udc)+ki∫(udc-ref-udc)dt (6)
其中，udc-ref表示系统充放电参考电压；kp、ki分别表示比例调节系数和积分调节系数；
4)设计DC/AC电压源型变流器的控制策略
基于DC/AC电压源型变流器数学模型和瞬时功率理论，变流器与交流系统间交换的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q如式(7)
因此当电网电压空间矢量幅值E是恒定值时，可通过有功电流id和无功电流iq来分别反应有功功率和无功功率的变化，外环控制器用于实现超级电容器储能系统与交流系统之间指定功率的设定与跟踪，实现超级电容器储能系统在电力系统中的应用，根据指定参考值与实际值间的误差，经功率调节器得到满足指定交换功率的电流参考值，即内环控制器的输入参考电流idref、iqref，并对电网扰动电压Ed、Eq采取前馈补偿，同时引入d、q轴电压耦合补偿项ΔUd、ΔUq，实现d、q轴电流的独立解耦控制，进而实现有功功率、无功功率的解耦控制，DC/AC变流器的电压控制方程如式(8)，其中，kp1、kp2分别表示d轴和q轴的比例调节系数，ki1、ki2分别表示d轴和q轴的积分调节系数，
电压耦合补偿量如式(9)
将Ud、Uq从两相旋转坐标系逆变到三相静止坐标系下得Ua、Ub、Uc，再通过PWM脉宽调制的参考值，产生变流器的控制信号，实现DC/AC变流器指定工作模式的转换。
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