CN110854888B - 弱电网下基于广义二阶积分器的储能变换器改进控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弱电网下基于广义二阶积分器的储能变换器改进控制方法，其用于三相三线制双级式储能变换器电网侧控制，可改善其弱电网运行稳定性的控制算法。该算法通过增加电流反馈和广义二阶积分器组成的控制环路，将经过广义二阶积分器处理的信号与原调制电压叠加，可改变储能变换器的阻抗特性，进而削弱储能变换器等效阻抗与电网等效阻抗之间的异常交互作用，从而增加储能变换器对弱电网的适应能力。

Description

弱电网下基于广义二阶积分器的储能变换器改进控制方法

技术领域

本发明属于面向电力系统中电池储能应用的电力自动化设备相关领域，具体地，涉及一种可改善三相三线制储能变换器弱电网运行稳定性的新型控制算法，尤其涉及弱电网下基于广义二阶积分器的储能变换器改进控制方法。

背景技术

储能技术是“风光储一体”可再生能源系统中负责能量存储的重要环节，电池储能因兼具灵活性与快速性，较高的能量密度，无特殊场地要求等优势。电池储能系统由电池，电池管理系统，储能变换器，监控系统等共同组成，其中，储能变换器是电池与电网的接口，是负责能量转换的核心部件。然而，电池储能系统所处的电网条件较为复杂，受线路寄生感抗和配电变压器漏抗影响，不能再被视为理想电压源，通常被称为弱电网。储能变换器与弱电网之间存在异常交互，进而引发谐波振荡，电能质量下降等稳定性问题，甚至触发保护脱网。因此需改进储能变换器的控制算法，使之具备更佳的弱电网适应能力。

目前常规储能变换器控制均采用电压电流双闭环控制，因此，通过在此控制架构下增加或改变反馈回路来改善其性能是近年来改造现有系统较为经济有效的手段，例如降低锁相环带宽等，然而这些方法也会带来暂态响应变慢，精度变差等副作用，需要加以改进。

二阶广义积分器(Second Order Generalized Integrator,SOGI)具备一定的选频能力，基于SOGI，可改善储能变换器的阻抗特性，增加谐振点阻抗，从而抑制谐振，改善储能变换器的弱电网运行稳定性。

发明内容

针对现有储能变换器控制算法的缺陷，本发明的目的是提供一种改善弱电网运行稳定性，提高入网电流质量的弱电网下基于广义二阶积分器的储能变换器改进控制方法。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

弱电网下基于广义二阶积分器的储能变换器改进控制方法，包括如下步骤：

步骤1，对电路中的电气物理量进行采样调理，对所采样的物理量进行模数转换，之后对控制器中模数转换模块得到的数值进行换算和数值处理，获取u_dc，u_0a,u_0b,u_0c,u_dc,i_a,i_b,i_c的瞬时值；

步骤2，通过锁相环算法，由u_0a,u_0b,u_0c得到电网角度θ和电网角频率ω_g；

步骤3，将i_1a，i_1b，,i_1c进行三相静止坐标系-两相旋转坐标系变换，得到i_1d，,i_1q，其中变换矩阵T_dq为式(1)

步骤4，将i_2a，i_2b，,i_2c做三相静止坐标系-两相旋转坐标系变换，得到i_2d，,i_2q，其中采用的变换矩阵T_dq与步骤3相同；

步骤5，将i_1d与i_2d做差，之后经SOGI进行运算，得到u_sd，同时将i_1q与i_2q做差，同样经SOGI进行运算，得到u_sq，本步骤的离散域传递函数为式(2)和式(3)：

步骤6，将直流电压给定U_dcref与u_dc做差，经PI调节器后得到i1_dref，将无功给定Q_ref和实际无功功率Q做差，经PI调节器后得到i_1qref。其中Q采用定义式(4)进行计算。

Q＝i_2a×(u_0b-u_0c)+i_2b×(u_0c-u_0a)+i_2c×(u_0a-u_0b) (4)

该步骤的离散域表达式为式(5)和式(6)：

其中，T_s代表采样周期，K_p1表示对应PI调节器的比例参数，K_i1表示对应PI调节器的积分参数，下同；

步骤7，将i_1dref与i_1d做差，得到电流误差后经PI调节器后得到u_pd，之后与步骤5中得到的u_sd相加，得到u_1d。将i_1qref与i_1q做差，得到电流误差后经PI调节器后得到u_pq，之后与步骤5中得到的u_sq相加，得到u_1d；

此步骤的离散域传递函数为式(7)和式(8)：

步骤8，将u_1d，u_1q做旋转坐标系-三相静止坐标系变换，得到u_1ai,u_1bi,u_1ci，所用变换矩阵为式(9)

步骤9，将步骤8所得u_1ai,u_1bi,u_1ci，以SVPWM算法进行调制，通过开关管驱动电路转化为实际相电压输出u_1a，u_1b，u_1c，即可实现对储能变换器的控制。

本发明改善了弱电网运行稳定性，提高了入网电流质量。

附图说明

图1为双级式电池储能变换器和常规控制算法框图。

图2为电池储能变换器改进控制算法结构示意图。

图3为电池储能变换器的小信号模型示意图。

图4为两种控制方式下阻抗比Rz的两组奈奎斯特曲线示意图。

图5为具体实施方法示意图。

图6为基于常规控制的硬件在环仿真验证波形示意图。

图7为基于改进控制的硬件在环仿真验证波形示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式来进一步描述本发明。

图1所示为双级式电池储能变换器和常规控制算法框图，电池系统与前级采用电流闭环进行控制的DC-DC变换器可整体等效为一个电流源，由于存在直流母线电容实现电池侧与电网侧的子变换器解耦，该电流源对网侧AC-DC变换器的输出阻抗不产生影响，在下文分析中可忽略该部分。储能变换器一般采用经典的电网电压定向的电压电流双闭环控制，亦在图1中给出。

弱电网一般主要呈感性，忽略其阻性，电网阻抗Z_g(s)可表示为式(10)：

根据阻抗理论，储能变换器可等效为诺顿电路，即一个非理想电流源I(s)与阻抗Z_out(s)并联，并网电流I_g(s)的小信号扰动量可表示为式(11)

定义阻抗比判据定义阻抗比为Rz＝Z_g/Z_out，系统稳定性可通过计算R_z的频域特性得到。根据阻抗法分析，可证明常规控制算法在电网较弱时存在失稳的可能。因此，本文对图1所示算法加以改进，引入一个额外的回路，如图2所示，其中i_2abc表示储能变换器的并网电流，i_1abc表示储能变换器侧电感上的三相电流，SOGI代表二阶广义积分器。

与常规算法相比，采用改进算法后电池储能变换器的阻抗模型转化为图3，输出阻抗Z_out表达式见式(12)。可见模型中增加了传递函数F_c(s)，其具体表达式为式(13)，调整SOGI的参数ω,λ和k_SOGI可改变储能变换器Z_out特性。其中，

代入一组储能变换器和弱电网典型参数，对两种控制方法下的R_z分别绘制奈奎斯特曲线，可得图4。将引入SOGI和电流反馈，即回路F_c(s)之后的奈奎斯特曲线，与基于常规控制算法的奈奎斯特曲线(实线)进行对比，可见改进控制方法对应的奈奎斯特曲线(虚线)不再穿越-1,0点，因此系统从临界稳定变为稳定，稳定性增强。

本发明弱电网下基于广义二阶积分器的储能变换器改进控制方法以基于DSP等嵌入式数字控制器实现本控制方法为例，对本算法的具体实施方式进行说明。图5为本发明具体实施方法示意图，储能变换器主要包括三相两电平电路，直流母线电容，LCL滤波器，采样调理电路，DSP控制器，驱动保护电路等。u_dc表示直流母线电压，u_1a,u_1b,u_1c表示三相两电平电路相桥臂输出电压，i_1a,i_1b,i_1c表示流过电感L₁的三相电流，i_2a,i_2b,i_2c表示入网电流即流过L₂的三相电流，u_0a,u_0b,u_0c表示pcc节点电压。实施步骤具体如下：

步骤1，对电路中的电气物理量进行采样调理，对所采样的物理量进行模数转换，之后对控制器中模数转换模块得到的数值进行换算和数值处理，获取u_dc，u_0a,u_0b,u_0c,u_dc,i_a,i_b,i_c的瞬时值；

步骤2，通过锁相环算法，由u_0a,u_0b,u_0c得到电网角度θ和电网角频率ω_g；

步骤3，将i_1a，i_1b，,i_1c进行三相静止坐标系-两相旋转坐标系变换，得到i_1d，,i_1q，其中变换矩阵T_dq为式(1)

步骤4，将i_2a，i_2b，,i_2c做三相静止坐标系-两相旋转坐标系变换，得到i_2d，,i_2q，其中采用的变换矩阵T_dq与步骤3相同；

步骤5，将i_1d与i_2d做差，之后经SOGI进行运算，得到u_sd，同时将i_1q与i_2q做差，同样经SOGI进行运算，得到u_sq，本步骤的离散域传递函数为式(2)和式(3)：

步骤6，将直流电压给定U_dcref与u_dc做差，经PI调节器后得到i1_dref，将无功给定Q_ref和实际无功功率Q做差，经PI调节器后得到i_1qref。其中Q采用定义式(4)进行计算。

Q＝i_2a×(u_0b-u_0c)+i_2b×(u_0c-u_0a)+i_2c×(u_0a-u_0b) (4)

该步骤的离散域表达式为式(5)和式(6)：

其中，T_s代表采样周期，K_p1表示对应PI调节器的比例参数，K_i1表示对应PI调节器的积分参数，下同；

步骤7，将i_1dref与i_1d做差，得到电流误差后经PI调节器后得到u_pd，之后与步骤5中得到的u_sd相加，得到u_1d。将i_1qref与i_1q做差，得到电流误差后经PI调节器后得到u_pq，之后与步骤5中得到的u_sq相加，得到u_1d；

此步骤的离散域传递函数为式(7)和式(8)：

步骤8，将u_1d，u_1q做旋转坐标系-三相静止坐标系变换，得到u_1ai,u_1bi,u_1ci，所用变换矩阵为式(9)

步骤9，将步骤8所得u_1ai,u_1bi,u_1ci，以SVPWM算法进行调制，通过开关管驱动电路转化为实际相电压输出u_1a，u_1b，u_1c，即可实现对储能变换器的控制。为验证本算法的改进作用，基于硬件在环仿真平台进行了测试。图6所示为基于常规算法的储能变换器测试波形，可见当电网短路比为5.5时，变换器即开始失稳，图7所示为基于改进算法的储能变换器测试波形，当电网短路比小于5.5时也能稳定运行，直至2.4时才失稳，可证明本算法所起的改善作用。

Claims (1)

1.弱电网下基于广义二阶积分器的储能变换器改进控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，对电路中的电气物理量进行采样调理，对所采样的物理量进行模数转换，之后对控制器中模数转换模块得到的数值进行换算和数值处理，获取u_dc，u_0a,u_0b,u_0c,u_dc,i_a,i_b,i_c的瞬时值；

步骤2，通过锁相环算法，由u_0a,u_0b,u_0c得到电网角度θ和电网角频率ω_g；

步骤3，将i_1a，i_1b，,i_1c进行三相静止坐标系-两相旋转坐标系变换，得到i_1d，,i_1q，其中变换矩阵T_dq为式(1)

步骤4，将i_2a，i_2b，,i_2c做三相静止坐标系-两相旋转坐标系变换，得到i_2d，,i_2q，其中采用的变换矩阵T_dq与步骤3相同；

步骤5，将i_1d与i_2d做差，之后经SOGI进行运算，得到u_sd，同时将i_1q与i_2q做差，同样经SOGI进行运算，得到u_sq，本步骤的离散域传递函数为式(2)和式(3)：

步骤6，将直流电压给定U_dcref与u_dc做差，经PI调节器后得到i1_dref，将无功给定Q_ref和实际无功功率Q做差，经PI调节器后得到i_1qref。其中Q采用定义式(4)进行计算；

Q＝i_2a×(u_0b-u_0c)+i_2b×(u_0c-u_0a)+i_2c×(u_0a-u_0b) (4)

该步骤的离散域表达式为式(5)和式(6)：

其中，T_s代表采样周期，K_p1表示对应PI调节器的比例参数，K_i1表示对应PI调节器的积分参数，下同；

步骤7，将i_1dref与i_1d做差，得到电流误差后经PI调节器后得到u_pd，之后与步骤5中得到的u_sd相加，得到u_1d；将i_1qref与i_1q做差，得到电流误差后经PI调节器后得到u_pq，之后与步骤5中得到的u_sq相加，得到u_1d；

此步骤的离散域传递函数为式(7)和式(8)：

步骤8，将u_1d，u_1q做旋转坐标系-三相静止坐标系变换，得到u_1ai,u_1bi,u_1ci，所用变换矩阵为式(9)

步骤9，将步骤8所得u_1ai,u_1bi,u_1ci，以SVPWM算法进行调制，通过开关管驱动电路转化为实际相电压输出u_1a，u_1b，u_1c，即可实现对储能变换器的控制。