CN108123466B - 一种基于功率串联解耦的储能变流器并联均流控制方法 - Google Patents

一种基于功率串联解耦的储能变流器并联均流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供基于功率串联解耦的储能变流器并联均流控制方法，首先获取当前实测有功功率Pi和无功功率Qi，与参考功率指令Prefi和Qrefi对比，得到装置环流有功功率PHi和无功功率QHi；然后进行PI控制，得到输出电压初始调整量的d轴分量ΔVdi1和q轴分量ΔVqi1；接着根据PCS装置并联等效电阻和感抗构建系数矩阵K，与初始电压调整量的d轴分量ΔVdi1和q轴分量ΔVqi1相乘，得到输出电压最终调整量ΔVdi与ΔVqi；最后将输出电压的给定值Vd,q_set和输出电压最终调整量叠加，得到当前PCS装置的输出电压指令值Vd,qrefi，对输出电压进行闭环控制，以控制各PCS装置的平均有功功率和无功功率。本发明考虑了实际并联等效电阻发生偏差时的影响，提高了均流控制精度和均流动态响应速度。

Description

一种基于功率串联解耦的储能变流器并联均流控制方法
技术领域
本发明属于电能储能系统技术领域，具体涉及储能变流器并联运行时的解耦控制方法。
背景技术
微电网独立运行时，由储能系统维持公共母线电压幅值和频率的稳定。储能变流器是储能系统中的核心部件，为了满足大规模储能需求，模块化并联技术是一种有效方法。
大规模储能系统都会装有集中控制器，用来监控每个储能单元的运行状态。利用集中控制器实现多台储能装置的同步，同时通过通讯的方式对功率外环进行微调，忽略了环流功率之间的耦合；基于环流功率的交叉解耦方案，能保证较好的静态均流精度，但同样忽略了并联阻抗变化对解耦性能的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于功率串联解耦的储能变流器并联均流控制方法，在变流器并联运行时，能够对环流功率进行有功无功解耦。
实现本发明目的技术解决方案为：一种基于功率串联解耦的储能变流器并联均流控制方法，包括以下步骤：
步骤1、获取当前实测有功功率Pi和无功功率Qi，与参考功率指令Prefi和Qrefi对比，得到装置环流有功功率PHi和无功功率QHi；
步骤2、对装置环流有功和无功功率进行PI控制，得到输出电压初始调整量的d轴分量ΔVdi1和q轴分量ΔVqi1；
步骤3、根据PCS装置并联等效电阻和感抗构建系数矩阵K，与初始电压调整量的d轴分量ΔVdi1和q轴分量ΔVqi1相乘，得到输出电压最终调整量ΔVdi与ΔVqi；
步骤4、将输出电压的给定值Vd,q_set和输出电压最终调整量叠加，得到当前PCS装置的输出电压指令值Vd,qrefi；
步骤5、以当前PCS的输出电压指令值Vd,qrefi为参考值，对输出电压进行闭环控制，以控制各PCS装置的平均有功功率和无功功率。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明考虑了实际并联等效电阻发生偏差时的影响，提高了均流控制精度和均流动态响应速度。
附图说明
图1为N个PCS装置并联系统等效电路。
图2为并联补偿电压与功率误差关系图。
图3为本发明串联解耦控制框图。
图4为本发明电感电流内环和电容电压外环控制框图。
图5为本发明基于集中控制的多PCS并联运行电路结构图。
图6为本发明空载时输出电压电流及环流波形图。
图7为本发明阻性负载时输出电压电流及环流波形图。
图8为本发明阻感性负载时输出电压电流及环流波形图。
图9为本发明突加负载时输出电压电流及环流波形图。
图10为本发明突减负载时输出电压电流及环流波形图。
图11为本发明串联解耦控制的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明方案。
图1为储能系统工作于孤岛运行模式下，N个PCS装置构成的并联系统等效电路图，其中
Figure BDA0001534684840000021
为第i个PCS装置的输出电压，
Figure BDA0001534684840000022
为第i个PCS装置的输出电流，
Figure BDA0001534684840000023
为并联系统输出电压，
Figure BDA0001534684840000024
为等效并联阻抗。以
Figure BDA0001534684840000025
为参考矢量，转换到同步旋转坐标系下，由建模分析可得到并联补偿电压与环流功率误差之间的关系，如图2所示，其中，Ri和Xi分别为等效并联电阻及感抗。可以看出，环流有功和无功之间存在着基于并联等效电阻的耦合项。考虑到系统中并联等效电阻不能忽略，而且并联等效阻抗会根据系统的构成不同发生变化，本发明基于上文描述的储能变流器等效模型，提出基于功率串联解耦的储能变流器并联均流控制方法，实现储能变流器的环流有功和无功的解耦，通过控制输出电压即可控制各PCS装置的平均有功功率和无功功率。串联解耦控制方法控制框图如图3所示，流程如图11所示，具体步骤如下：
步骤1、由下层控制器获取获取当前实测有功功率Pi和无功功率Qi，由上层集中控制器获取参考功率指令Prefi和Qrefi，将当前实测有功功率Pi和无功功率Qi与参考功率指令Prefi和Qrefi对比，得到装置环流有功功率PHi和无功功率QHi；
步骤2、装置环流有功功率PHi和无功功率QHi经过功率PI控制器Gp(s)和Gq(s)，进行PI控制，得到输出电压初始调整量(对应解耦前电压调整量)的d轴分量ΔVdi1和q轴分量ΔVqi1；
步骤3、在功率调节器输出之后加一个串联环节K，K为根据PCS装置并联等效电阻和感抗构建的系数矩阵，初始电压调整量的d轴分量ΔVdi1和q轴分量ΔVqi1与系数矩阵K相乘，得到输出电压最终调整量(对应解耦前电压调整量)的ΔVdi与ΔVqi；
K表示为：
Figure BDA0001534684840000031
其中，
Figure BDA0001534684840000032
R和X分别表示PCS装置的并联等效电阻和感抗；
步骤4、将输出电压的给定值Vd,q_set和输出电压最终调整量叠加，得到当前PCS装置的输出电压指令值Vd,qrefi；
步骤5、以当前PCS的输出电压指令值Vd,qrefi为参考值，对输出电压进行闭环控制，以控制各PCS装置的平均有功功率和无功功率。本发明输出电压控制采用电感电流内环和电容电压外环的控制策略，具体如图4所示。
为了验证本发明方法的有效性，搭建两台30kVA的实验样机，系统组成如图5所示，实验样机参数如表1所示，采用基于DSP双CPLD的控制器，DSP用来做算法控制，其中一片CPLD用于做同步采样，另一片CPLD用于保护和IO控制。
表1实验样机参数
Figure BDA0001534684840000033
在上述计算条件下，应用本发明方法对储能变流器并联运行进行功率串联解耦控制的实验结果如下：
1、变流器控制策略的空载实验验证
图6为并联系统空载时两个PCS输出电压电流及环流波形图，uc1、uc2分别为PCS 1#和PCS 2#的电容电压波形，io1、io2分别为PCS 1#和PCS 2#的输出电流波形，系统环流iH主要成分为5次和7次等低次谐波；空载时输出电压THD为0.76％，其中主要成分为低频的奇次谐波。可以看出，空载时系统运行状态良好，系统环流和输出电压所含谐波很小。
2、变流器控制策略的带阻性负载实验验证
图7为系统带阻性负载时两个PCS输出电压电流及环流波形，系统环流iH主要含基波和低次谐波分量，有效值约为输出电流的1.9％，环流较低，通过电能质量仪测得两个PCS输出电压的有效值差异仅为0.02V，相角差异则小于0.005°；带阻性负载时输出电压THD为1.54％。可以看出，带阻性负载时系统运行状态良好，系统环流和输出电压所含谐波很小。
3、变流器控制策略的带阻感性负载实验验证
图8为系统带阻感性负载时两个PCS输出电压电流及环流波形，系统环流iH有效值约为输出电流的2.7％；带阻感性负载时输出电压THD为1.75％。可以看出，带阻感性负载时系统环流以及输出电压所包含谐波均得到有效抑制。
4、变流器控制策略的负载突变实验验证
图9和图10为并联系统负载突加和突减时的实验波形，系统的动态调节过程约为一个周波，电流变化对系统输出电压的影响很小，由此可以看出系统动态性能良好。
综上所述，在不同负载情况下，所发明的控制方法既能够维持系统电压幅值和频率稳定，又具有良好的静态和动态均流精度。

Claims (4)

1.一种基于功率串联解耦的储能变流器并联均流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取当前实测有功功率Pi和无功功率Qi，与参考功率指令Prefi和Qrefi对比，得到装置环流有功功率PHi和无功功率QHi；
步骤2、对装置环流有功和无功功率进行PI控制，得到输出电压初始调整量的d轴分量ΔVdi1和q轴分量ΔVqi1；
步骤3、根据PCS装置并联等效电阻和感抗构建系数矩阵K，与初始电压调整量的d轴分量ΔVdi1和q轴分量ΔVqi1相乘，得到输出电压最终调整量ΔVdi与ΔVqi；
步骤4、将输出电压的给定值Vd,q_set和输出电压最终调整量叠加，得到当前PCS装置的输出电压指令值Vd,qrefi；
步骤5、以当前PCS的输出电压指令值Vd,qrefi为参考值，对输出电压进行闭环控制，以控制各PCS装置的平均有功功率和无功功率。
2.根据权利要求1所述的基于功率串联解耦的储能变流器并联均流控制方法，其特征在于，步骤1的当前实测有功和无功功率由下层控制器获取，参考功率指令由上层集中控制器获取。
3.根据权利要求1所述的基于功率串联解耦的储能变流器并联均流控制方法，其特征在于，步骤3中，所构建的系数矩阵K表示为：
Figure FDA0002796098990000011
其中，
Figure FDA0002796098990000012
R和X分别表示PCS装置的并联等效电阻和并联等效感抗。
4.根据权利要求1所述的基于功率串联解耦的储能变流器并联均流控制方法，其特征在于，步骤4输出电压进行闭环控制为电感电流内环和电容电压外环的控制策略。
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