CN110086207A - 一种储能并网换流器控制方法、装置及计算机存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种储能并网换流器控制方法、装置及计算机存储介质，首先建立系统数学模型，分析系统的工作原理。然后将系统电网电压经过GCDSC有效去除谐波对同步锁相的影响，并通过相位前馈环节补偿PLL闭环调节相位滞后问题，在系统存在谐波和不平衡时能快速准确地检测出系统基波相位和频率。然后采用反推法设计系统控制器，基于Lyapunov稳定性理论设计系统的控制律，提高了系统的抗干扰能力，实现了整个系统的渐进稳定。最后在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，与传统锁相环与PI控制策略进行比较，仿真结果表明本发明控制策略具有更好的鲁棒性与控制精度，为储能换流器控制策略提供了理论依据和技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种储能并网换流器控制方法、装置及计算机存储介质，属于储能换流器技术领域。
背景技术
由于我国能源分布的特点，现在需要解决的不仅仅是传统电网远距离输电、集中发电的问题，特别是进入21世纪，人们寻求风力、核能等能源。能源是维持人类生存和社会发展的重要因素。电能作为一种便利的能源形式，是国民经济的命脉。
日益严重的能源短缺和环境污染问题，使新能源得到广泛的重视和利用。分布式发电DG(Distributed Generation)是利用新能源发电的有效途径。分布式电源与储能接入大电网普遍采用由电力电子器件构成的并网逆变器，虽然其具有控制灵活、响应迅速等优点，但也存在低惯性、欠阻尼等不足。其中下垂控制策略虽然模拟了发电机组的“功频静特性”，但仍然无法与同步发电机的惯性相匹配，容易给大电网造成冲击与振荡。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种储能并网换流器控制方法、装置及计算机存储介质。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种储能并网换流器控制方法，包括如下步骤：
步骤一：采用GCDSC-PFFC的同步锁相环控制结构，对系统电网电压锁相环输出的相位进行校正；
步骤二：采用反推法设计的系统控制器对换流器VSC的交流侧出口电压控制量进行设定。
作为优选方案，所述步骤一包括如下步骤：
1.1将交流侧电网三相电压信号进行Clarke变换；
1.2变换后，通过延时信号消除器DSC后得到静止坐标系下电压信号；
1.3经Park变换，将q轴信号经比例积分PI调节器调节；
1.4再经积分环节得到相位信息，反馈到Park变换模块。
作为优选方案，所述延时信号消除器DSC的传递函数如下：
其中，DSCn(s)＝(1+ej2π/ne-Ts/n)/2，式中：n为延时因子；T为电网电压基波频率。
作为优选方案，所述GCDSC-PFFC的同步锁相环控制结构的闭环传递函数为：
其中，为相位补偿前馈环节，
作为优选方案，所述kp＝440，ki＝48361。
作为优选方案，所述换流器VSC的交流侧出口电压控制量Urd1，Urq1：
一种储能并网换流器控制装置，包括：直流侧变换器控制单元、交流侧变换器控制单元，
所述直流侧变换器控制单元，用于采用GCDSC-PFFC的同步锁相环控制结构，对系统电网电压锁相环输出的相位进行校正；
所述交流侧变换器控制单元，用于采用反推法设计的系统控制器对换流器VSC的交流侧出口电压控制量进行设定。
作为优选方案，所述直流侧变换器控制单元，将交流侧电网三相电压信号进行Clarke变换；变换后，通过延时信号消除器DSC后得到静止坐标系下电压信号；经Park变换，将q轴信号经比例积分PI调节器调节；再经积分环节得到相位信息，反馈到Park变换模块。
一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有储能并网换流器控制的程序，所述储能并网换流器控制的程序被至少一个处理器执行时实现权利要求1至6任一项所述一种储能并网换流器控制方法的步骤。
有益效果：本发明提供的一种储能并网换流器控制方法、装置及计算机存储介质，为保证储能系统换流器的正常工作，提出一种基于广义级联延时信号消除器及相位前馈补偿(GCDSC-PFFC)的同步锁相环(PLL)控制结构和反推控制器，提高储能换流器系统控制性能。首先建立系统数学模型，分析系统的工作原理。然后将系统电网电压经过GCDSC有效去除谐波对同步锁相的影响，并通过相位前馈环节补偿PLL闭环调节相位滞后问题，在系统存在谐波和不平衡时能快速准确地检测出系统基波相位和频率。然后采用反推法设计系统控制器，基于Lyapunov稳定性理论设计系统的控制律，提高了系统的抗干扰能力，实现了整个系统的渐进稳定。最后在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，与传统锁相环与PI控制策略进行比较，仿真结果表明本发明控制策略具有更好的鲁棒性与控制精度，为储能换流器控制策略提供了理论依据和技术支持。
附图说明
图1储能并网系统总体结构图；
图2储能装置拓扑结构；
图3 VSC拓扑结构；
图4传统PLL控制框图；
图5基于GCDSC-PFFC的PLL控制框图；
图6 DSC模块框图；
图7 GCDSC模块框图；
图8 PLL小信号模型；
图9储能系统控制框图；
图10逆变器控制框图；
图11 PI控制下传统锁相环控制效果；
图12 PI控制下GCDSC-PFFC锁相环控制效果；
图13反推控制下GCDSC-PFFC锁相环控制效果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种储能并网换流器控制方法，包括如下步骤：
步骤一：采用基于广义级联延时信号消除器及相位前馈补偿(GCDSC-PFFC)的同步锁相环(PLL)控制结构，对系统电网电压锁相环输出的相位进行校正，实现电网电压基频相位的精确跟踪。
首先将三相电压信号进行Clarke变换，通过延时信号消除器(DSC)后得到静止坐标系下电压信号，然后经Park变换，将q轴信号经比例积分(PI)调节器调节，再经积分环节得到相位信息，反馈到Park变换模块，PI调节器相位滞后问题通过前馈进行补偿。
系统电网电压经过GCDSC有效去除谐波对同步锁相的影响，并通过相位前馈环节补偿PLL闭环调节相位滞后问题，在系统存在谐波和不平衡时能快速准确地检测出系统基波相位和频率，实现电网电压基频相位的精确跟踪。
步骤二：采用反推法设计的系统控制器对换流器VSC的交流侧出口电压控制量进行设定，提高了系统的抗干扰能力。
首先定义电流与电压跟踪误差，然后设计Lyapunov函数，求出虚拟控制量，为了降低误差累积，设计补偿信号重新定义电压跟踪误差，根据Lyapunov稳定性理论得到系统的控制量，在控制量的作用下系统最终会渐进稳定。提高了系统的鲁棒性与控制精度。
实施例：
如图1所示，1)建立储能并网换流器系统，包括：储能单元经电阻、直流电抗器通过DC/DC变换器汇流至直流母线，再通过DC/AC变换器经交流电抗器、电阻、变压器连接至电网。其中变压器起到电气隔离的作用，交流电抗器起到滤波与限流的作用，AC-DC为二电平电压源换流器(VSC)完成逆变过程。储能端口包括：储能电池、电阻、直流电抗器、DC/DC换流器组成，直流电抗器可保持电流连续消除纹波，DC/DC换流器完成升降压过程，端口并联于直流母线电容，电容为整个系统提供电压支撑，电压的稳定是有功功率平稳传输的前提。控制器是整个系统的核心，控制器包括：控制与保护系统、上位机，系统控制策略、控制策略与系统保护的实现都依赖于控制与保护系统，上位机为上层调度中心，可起到监控运行状态发送控制指令的作用。
如图2所示，以储能装置充电为正方向，储能端口数学模型如下：
式中，Urb＝dUdc其中d为占空比，ib为储能装置出口侧电流，Urb为储能装置桥臂侧电压，Ub为储能装置出口电压，Lb为等效阻抗，Rb为等效电阻，Udc为直流母线电压。
如图3所示，AC-DC换流器以注入交流网络的功率为正方向，可得换流器(VSC)系统的数学模型如下：
式中，Usi为交流侧电网电压，ii为交流侧电网电流，L、R分别为交流电抗器等效电抗与等效电阻，Uri为换流器交流侧电压值，其中下标i取a,b,c，分别代表A、B、C三相。
通过Park变换将式(2)转换到dq同步旋转坐标系下，将交流量变换为直流量，有利于控制器进行闭环控制，用于坐标变换的矩阵如下：
假设换流器系统端口输出功率，可得：
对吸收功率换流器，电流反向。式中ω1为电网角频率，id1、iq1分别为换流器VSC网侧电流矢量d轴和q轴的分量，Usd1、Usq1分别为换流器VSC网侧电压矢量d轴和q轴的分量，Urd1、Urq1分别为换流器VSC换流站交流侧出口电压矢量d轴和q轴的分量，L1、R1为分别为交流电抗器等效电抗与等效电阻。
换流器交流出口电抗器主要起限流与滤波作用，实际电抗器呈弱阻性，电阻R很小，损耗可不计，稳态情况下换流器VSC有功P1、无功Q1功率可以表示为：
d轴通过锁相环位于电网电压矢量方向上，所以Usq1＝0，Usd1＝Us，式(5)可表示为：
由式(6)可知通过对换流器电流dq轴分量的控制可以独立地控制有功功率和无功功率。不计换流器损耗，系统交直流两端功率相等，考虑储能装置的加入得通式为：式中C为直流侧电容，Udc为直流母线电压，Ub，ib分别代表储能单元输出的电压和电流。
2)提出基于GCDSC-PFFC的锁相算法
基于dq变换的传统三相PLL，其控制框图如图4所示。该方法在理想电网电压运行工况下具有较好的性能，但当电压出现不平衡或畸变时，PLL带宽变窄，无法准确快速地提取电压基波分量频率和相位。
kp+ki/s为比例积分(PI)调节器，1/s为积分环节，基于上述缺点，提出基于GCDSC-PFFC的三相PLL，控制框图如图5所示，首先将交流侧电网三相电压信号进行Clarke变换，通过延时信号消除器(DSC)后得到静止坐标系下电压信号，然后经Park变换，将q轴信号经比例积分(PI)调节器调节，再经积分环节得到相位信息，反馈到Park变换模块，PI调节器相位滞后问题通过前馈进行补偿。
ω为电网基波频率，θ为相位，为相位补偿前馈环节，图5中DSC的传递函数如下：
DSCn(s)＝(1+ej2π/ne-Ts/n)/2 (7)
式中：n为延时因子；T为电网电压基波频率。
DSC频域传递函数为:
由上式可得：
式中：k＝0,±1,±2…。
当n＝4时DSC可有效滤除4k-1次谐波，但4k+1次谐波则毫无衰减，对基波信号无相位滞后和幅值哀减。DSC模块的数学实现如图6所示。从图中可以看出，在离散形式中，延迟由Z-M实现。
由于电网电压谐波含量频谱较广，为改善滤波性能，这里提出多个DSC级联的GCDSC算法，其传递函数如下：
采用5个DSC串联，在整数次谐波频率处可完全消除谐波含量，由此显著地改善锁相算法的精度。延迟因子n＝2,4,8,16,32。这种级联块系统称为GCDSC块，如图7所示。
为简化控制参数设计，将图5用图8所示小信号模型来描述。
其中，DSC传递函数为
dqDSCn(s)＝(1+e-TS/n)/2 (11)
则基于小信号模型的闭环传递函数为：
式中θ0代表基频相位，θi代表i频次相位，i取整数。
延迟环节可用一阶Pade变换近似，即有
e-Ts/n≈[1-Ts/(2n)]/[1+Ts/(2n)] (13)
综合式(12)，(13)，则PLL的闭环传递函数为：
式中，ki＝ωn 2假设闭环系统相位裕度为55°，则计算得到kp＝440,ki＝48361。
根据可有效补偿DSC产生的相位误差，实现电网电压基频相位的精确跟踪。
3)应用反推法设计系统控制器
储能装置具有对功率和能量的时间迁移能力，可起到削峰填谷、平衡功率的功能，储能控制器设计如下：
首先定义储能装置电流跟踪误差
其中，ib为储能装置出口侧电流，为储能装置出口侧电流参考值。
根据式(1)，(15)跟踪误差的导数可表示为
第四个正定Lyapunov函数可以表示为
Lyapunov函数的导数为
为使选取
将式(19)代入式(18)得说明系统是收敛的，其中k1为一个大于0的可调参数，在控制量Urb的作用下，系统最终会渐进稳定。
综上，整个系统控制器设计完毕，系统控制框图如图9所示，根据Lyapunov稳定性理论可以得到渐进稳定的完整控制器。
按以下设计步骤设计VSC逆变器控制器。
跟踪误差定义为：
其中，分别代表直流母线电压、电流d轴分量、电流q轴分量的参考值。
由式(4)可知，误差的导数可以表示为：
定义第一个正定Lyapunov函数可以表示为
Lyapunov函数的导数为
其中k2为一个大于0的可调参数，由式(27)虚拟控制量可以表示为
当系统不能追踪实际的给定值时，会造成误差累积，从而降低了系统的动态响应性能，甚至会导致系统发散，因此，将对误差影响的考虑加入到了控制器的设计中，并重新定义电压跟踪误差为：
其中，ε代表补偿信号；
补偿信号的导数设计为
k0为一个大于0的可调参数根据式(27)，(28)，(30)可得
为了式(21)，(22)的稳定性，设计第二个正定Lyapunov函数V3为
Lyapunov函数V3的导数为
将式(24)，(25)，(31)代入式(33)可得
为使选取
将式(35)，(36)代入式(34)得说明系统收敛，其中k3，k4为大于0的可调参数，控制量Urd1，Urq1会使得系统最终会逐渐稳定，如图10所示为控制原理框图。
为了验证本发明所提控制策略的可行性和有效性，基于Matlab/Simulink搭建了系统模型。
该仿真模型的参数设置如表1所示：
表1仿真参数
图11-图13为并网电流时域图和并网电流快速傅立叶变换(FFT)频域图，Harmonicorder代表谐波。图11为PI控制下传统锁相环控制效果图，12为PI控制下GCDSC-PFFC锁相环控制效果图，13为反推控制下GCDSC-PFFC锁相环控制效果。由图可知，PI控制下传统锁相环控制并网电流谐波畸变率(THD)为7.17％，PI控制下GCDSC-PFFC锁相环控制谐波畸变率为4.01％，反推控制下GCDSC-PFFC锁相环控制谐波畸变率仅为1.74％；对以上三种控制方法进行比较发现采用反推控制下GCDSC-PFFC锁相环控制得到的并网电流质量较好，畸变率远低于5％的国家标准，表明本发明控制策略具有更好的鲁棒性与控制精度。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用计算机存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种储能并网换流器控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：采用GCDSC-PFFC的同步锁相环控制结构，对系统电网电压锁相环输出的相位进行校正；
步骤二：采用反推法设计的系统控制器对换流器VSC的交流侧出口电压控制量进行设定。
2.根据权利要求1所述的一种储能并网换流器控制方法，其特征在于：所述步骤一包括如下步骤：
1.1将交流侧电网三相电压信号进行Clarke变换；
1.2变换后，通过延时信号消除器DSC后得到静止坐标系下电压信号；
1.3经Park变换，将q轴信号经比例积分PI调节器调节；
1.4再经积分环节得到相位信息，反馈到Park变换模块。
3.根据权利要求2所述的一种储能并网换流器控制方法，其特征在于：所述延时信号消除器DSC的传递函数如下：
其中，DSCn(s)＝(1+ej2π/ne-Ts/n)/2，式中：n为延时因子；T为电网电压基波频率。
4.根据权利要求1所述的一种储能并网换流器控制方法，其特征在于：所述GCDSC-PFFC的同步锁相环控制结构的闭环传递函数为：
其中，为相位补偿前馈环节，
5.根据权利要求4所述的一种储能并网换流器控制方法，其特征在于：所述kp＝440，ki＝48361。
6.根据权利要求1所述的一种储能并网换流器控制方法，其特征在于：所述换流器VSC的交流侧出口电压控制量Urd1，Urq1：
7.一种储能并网换流器控制装置，其特征在于：包括：直流侧变换器控制单元、交流侧变换器控制单元，
所述直流侧变换器控制单元，用于采用GCDSC-PFFC的同步锁相环控制结构，对系统电网电压锁相环输出的相位进行校正；
所述交流侧变换器控制单元，用于采用反推法设计的系统控制器对换流器VSC的交流侧出口电压控制量进行设定。
8.根据权利要求7所述的一种储能并网换流器控制装置，其特征在于：所述直流侧变换器控制单元，将交流侧电网三相电压信号进行Clarke变换；变换后，通过延时信号消除器DSC后得到静止坐标系下电压信号；经Park变换，将q轴信号经比例积分PI调节器调节；再经积分环节得到相位信息，反馈到Park变换模块。
9.根据权利要求8所述的一种储能并网换流器控制装置，其特征在于：所述延时信号消除器DSC的传递函数如下：
其中，DSCn(s)＝(1+ej2π/ne-Ts/n)/2，式中：n为延时因子；T为电网电压基波频率。
10.根据权利要求7所述的一种储能并网换流器控制装置，其特征在于：所述GCDSC-PFFC的同步锁相环控制结构的闭环传递函数为：
其中，为相位补偿前馈环节，
11.根据权利要求10所述的一种储能并网换流器控制装置，其特征在于：所述kp＝440，ki＝48361。
12.根据权利要求7所述的一种储能并网换流器控制装置，其特征在于：所述换流器VSC的交流侧出口电压控制量Urd1，Urq1：
13.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有储能并网换流器控制的程序，所述储能并网换流器控制的程序被至少一个处理器执行时实现权利要求1至6任一项所述一种储能并网换流器控制方法的步骤。
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