CN109347211B - 一种不对称级联多电平混合储能控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不对称级联多电平混合储能控制方法，适用于单相级联多电平储能系统和三相不对称级联多电平储能系统的分相控制，包括如下步骤：对并网电流和对电容电压进行闭环控制，确定输出电压参考矢量和修正矢量；根据系统输出电压矢量确定系统稳定工作范围，结合电感电压，确定稳态工作点；根据稳态工作点、输出电压参考矢量和修正矢量，确定电池链节输出电压参考矢量和电容链节输出电压参考矢量；根据电池链节输出电压参考矢量和电容链节输出电压参考矢量确定调制波，通过SPWM调制产生开关信号，驱动逆变器工作。本发明能够保证系统在部分电池链节出现故障时仍可四象限稳定运行，以及并网电流的控制精度，并且减小了并网电流谐波。

Description

一种不对称级联多电平混合储能控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种不对称级联多电平混合储能控制方法。
背景技术
模块化是级联多电平电路的一大特点，当级联多电平电路中储能电池出现故障时，通过旁路链节单元的方法切除储能电池，组成基于储能电池和电容的不对称级联多电平储能系统，可以保证系统正常工作，但是会造成储能系统容量的损失。对于并网型不对称级联多电平电路，采用储能电池和超级电容作为链节单元直流电源，并采用前馈空间矢量调制技术来实现储能电池和超级电容直接的有功分配，但不能够实现系统有功和无功连续调节，而且也没有考虑到链节间无功的分配；采用储能电池和光伏电池作为链节单元直流电源，实现了系统有功和无功解耦控制以及各链节单元之间的功率分配，但其忽略了系统的稳定工作范围，并不适合所有的不对称级联多电平电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不对称级联多电平混合储能控制方法，适用于单相级联多电平储能系统和三相不对称级联多电平储能系统的分相控制。能够实现不对称级联多电平电路内部链节有功和无功分配，且保证系统工作在一个稳定的工作范围。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种不对称级联多电平混合储能控制方法，对多电平逆变器稳态工作时的矢量进行分析，确定系统稳态工作点，使逆变器能够在设定的稳态工作点附近运行，具体包括如下步骤：
步骤1、闭环控制：对并网电流和对并网电流进行闭环控制，确定输出参考电压和修正矢量；
步骤2、稳态工作点选取：根据系统输出电压矢量确定系统稳定工作范围，结合电感电压，确定稳态工作点；
步骤3、矢量合成：根据稳态工作点和修正矢量，确定电池链节输出电压参考矢量和电容链节输出电压参考矢量；
步骤4、SPWM调制：根据电池链节输出电压参考矢量和电容链节输出电压参考矢量确定调制波，通过SPWM调制产生开关信号，驱动逆变器工作。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明方法适用于单相级联多电平储能系统和三相不对称级联多电平储能系统的分相控制，在系统部分电池链节出现故障时，将其作为电容链节进行控制，保证系统仍可四象限稳定运行；2)本发明不需牺牲并网电流的控制精度即可使电容链节直流侧稳压；3)本发明能够防止链节单元过调制，减小了并网电流谐波。
附图说明
图1为单相不对称级联多电平混合储能系统结构示意图。
图2为本发明控制系统的结构示意图。
图3为本发明系统稳定工作点范围示意图。
图4为本发明修正矢量VC调节原理示意图
图5为本发明并网电流仿真结果图。
图6为本发明电容电压仿真结果图。
图中，Vbat为电池链节直流侧电压，Vcap为电容链节直流侧电压，IS为并网电流，VR为系统输出电压，VL为电感电压，VS为电网电压，VC为修正矢量，VBAT为电池链节直流侧电压，VCref为电容链节直流侧参考电压，VRref
输出电压参考值。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。
图1为单相不对称级联多电平混合储能系统的基本结构，由逆变桥、滤波电感和电网组成，其中逆变桥由电池链节和电容链节级联组成，每个链节均为H桥电路。
为使逆变器能够根据电网侧需要输出感性无功或容性无功，本发明提出一种基于初始工作点选取的单相不对称级联多电平混合储能控制方法，将多电平逆变器稳态工作时的矢量分析与SPWM调制技术相结合，确定系统稳态工作范围后选取初始工作点，使逆变器能够在设定的稳态工作点附近运行，根据给定并网电流的相位和幅值进行四象限工作，其过程具体包括四个部分：
(1)闭环控制
图2为控制系统结构框图，对并网电流IS进行闭环控制将给定的IS参考值ISref与IS反馈信号进行比较，对差值进行PR控制，输出电感电压矢量参考值VLref。为抑制电网电压VS波动对控制效果的影响，引入电网电压VS作为前馈量减去VLref，得到输出电压参考矢量VRref。
实际系统中电容链节存在有功损耗，为稳定电容电压，需对电容电压Vcap进行闭环控制，将给定的Vcap参考值与Vcap反馈信号进行比较，对差值进行PI控制，将PI输出与并网侧电流矢量参考值ISref相乘，得到修正矢量VC。
(2)初始工作点选取
建立单相级联多电平混合储能系统模型，将级联的电池链节和电容链节视为两个链节，来确定电池链节和电容链节输出交流电压矢量的范围。图3中系统输出电压矢量VR与电感电压矢量VL相加为电网电压矢量VS，分别以矢量VR的起点和终点为圆心，以电池链接和电容链节可输出电压最大有效值为半径作圆，得到两个链节输出电压矢量的范围。
根据两个链节输出电压矢量范围确定稳定工作点所在区域。由于两个圆形范围存在重叠区域，系统工作点在该区域内才能合成VR。忽略电容链节的损耗，即不同系统进行有功交换，电容链节输出电压矢量与VL垂直。由电感物理特性可知并网电流IS与VL垂直，因此作VL反向延长线交两圆形于A1、A2点，系统工作点在线段A1A2上才能使电容链节不同系统进行有功交换。以A1、A2为起点作平行于IS的矢量，交VR于B1、B2，得到线段A1A2沿IS方向在VR上的投影B1B2。
图4为VC调节原理示意图，以VR起点作为VRref起点，在A1A2上选一稳态工作点作为修正矢量VC的起点，交B1B2于C点，将VRref划分为两个矢量，其长度与VRref之比分别为G1、G2，其中G1+G2＝1，C点即为初始稳态工作点。
(3)矢量合成
VC平行于ISref，VRref划分的两个矢量分别与VC做矢量运算，即可合成出电池链节输出电压参考矢量V1ref和电容链节输出电压参考矢量V2ref。在B1B2上调节C点位置使VC平移，可在不改变V2ref相位的情况下调节V1ref幅值和相位以及稳态工作点的位置。
(4)SPWM调制
将V1ref除以电池链节直流侧电压VBAT，将V2ref除以电容链节直流侧参考电压VCref，处理后的信号作为调制波，经SPWM调制后产生H桥开关信号，驱动各链节输出需要的波形，使逆变器进入相应的工作状态。
实施例1
为了验证本发明的有效性，在Matlab中搭建实验仿真模型，系统参数如下：电池链节直流侧电压11745V，滤波电感62mH，电容链节电容160μF，电容电压参考值23490V；电网侧电压频率50Hz，有效值为35kV，相位为0；给定并网电流频率50Hz，有效值70.7A，相位1.55rad，采用本发明方案对输出有功和感性无功的情况进行仿真。
仿真结果如图5、图6所示，并网电流峰值101A，对应有效值70.4A，幅值和相位均可跟踪给定值；电容电压在2.3-2.4kV范围内，在给定值附近等幅振荡。仿真结果表明逆变器很好地跟踪了指定电流，电容电能够稳压，输出有功和感性无功。
本发明的应用场合包括但不限于由单个电池链节和电容链节组成的系统，理论上适用于任何不对称级联多电平混合储能系统。

Claims (3)

1.一种不对称级联多电平混合储能控制方法，对多电平逆变器稳态工作时的矢量进行分析，确定系统稳态工作范围，使逆变器能够在设定的稳态工作点附近运行，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、闭环控制：对并网电流和对电容电压进行闭环控制，确定输出电压参考矢量和修正矢量；
步骤2、稳态工作点选取：根据系统输出电压矢量确定系统稳定工作范围，结合电感电压，确定稳态工作点；
步骤3、矢量合成：根据稳态工作点、输出电压参考矢量和修正矢量，确定电池链节输出电压参考矢量和电容链节输出电压参考矢量；
步骤4、SPWM调制：根据电池链节输出电压参考矢量和电容链节输出电压参考矢量确定调制波，通过SPWM调制产生开关信号，驱动逆变器工作；
步骤2中，确定稳态工作范围的具体方法是：以系统输出电压矢量VR的起点和终点为圆心，以电池链接和电容链节可输出电压最大有效值为半径作圆，得到两个链节输出电压矢量的范围，两个圆形范围重叠的区域即为稳定工作范围；以VR的终点为起点作电感电压矢量VL，将VL反向延长交稳定工作范围于A1、A2点，在A1A2上任选一点，即为稳态工作点；
步骤3中，将VR的起点作为输出电压参考矢量VRref的起点作VRref，将稳态工作点作为修正矢量VC的起点作VC，两者相交于C点，将VRref划分为两个矢量，分别与VC做矢量运算，确定电池链节输出电压参考矢量V1ref和电容链节输出电压参考矢量V2ref；
步骤4中，将电池链节输出电压参考矢量V1ref除以电池链节直流侧电压VBAT，将电容链节输出电压参考矢量V2ref除以电容链节直流侧参考电压VCref，处理后的信号作为调制波，经SPWM调制后产生H桥开关信号，驱动各链节输出需要的波形，使逆变器进入相应的工作状态。
2.根据权利要求1所述的不对称级联多电平混合储能控制方法，其特征在于，步骤1中，对并网电流IS进行闭环控制的具体是：将给定的IS参考值ISref与IS反馈信号进行比较，对差值进行PR控制，输出电感电压矢量参考值VLref，引入电网电压VS作为前馈量减去VLref，得到输出电压参考矢量VRref。
3.根据权利要求1所述的不对称级联多电平混合储能控制方法，其特征在于，步骤1中，对电容电压Vcap进行闭环控制具体是：将给定的Vcap参考值与Vcap反馈信号进行比较，对差值进行PI控制，将PI输出与并网侧电流矢量参考值ISref相乘，得到修正矢量VC。
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