CN112260302A - 虚拟rc支路的储能pcs多机并联谐振有源抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种虚拟RC支路的储能PCS多机并联谐振有源抑制方法，包括以下步骤：1）每个开关周期对PCS多机并联系统中交流输出滤波器的滤波电容电压、PCS输出电流和电网电压分别进行采样；2）将滤波电容电压经过虚拟RC支路作用，相当于经过谐波提取环节与补偿电流生成环节，得到针对高频谐波分量的虚拟补偿电流；3）将高频虚拟补偿电流与电网电压前馈补偿量、电流前馈解耦补偿量一起加入输出电流控制环路，得到输出电流控制量；4）将输出电流控制量经过脉冲宽度调节PWM环节，得到控制开关器件的占空比，从而实现对输出电流的控制。该方法有利于提高运行效率，减少抑制环节，简化参数设计。

Description

虚拟RC支路的储能PCS多机并联谐振有源抑制方法

技术领域

本发明属于大规模储能系统控制领域，具体涉及一种虚拟RC支路的储能PCS(Power Conversion System)多机并联谐振有源抑制方法。

背景技术

随着能源的转型，在可预见的未来，风力发电、光伏发电将继续高速增长，而现阶段电网对新能源的消纳能力有限，导致了较为严重的弃风、弃光。建设储能电站来增加电网对新能源的消纳能力是一个行之有效的办法，通过储能装置在负荷的低谷期对电池进行充电，在负荷的高峰期进行放电来平抑新能源的出力波动。

随着储能技术的进一步发展，储能系统的规模越来越大，而PCS的单机容量受到电力电子器件的电压、电流容量限制难以继续增长。因此大规模储能系统多采用PCS多机并联入网的结构，各PCS的输出通过交流母线相互连接。这种多机并联结构显著增大了系统的容量，同时系统的容量配置也变得十分灵活，储能系统可以根据需要灵活调整并联机数以调整系统容量；对于稳定运行要求严格的场合，还可以通过配置故障冗余运行模块，增强系统应对故障的能力。PCS多机并联技术也有其不足之处，随着PCS并联数的增加，其电路连接愈发复杂，PCS的输出滤波器与弱电网下的电网等效阻抗之间形成了复杂的阻抗网络，容易发生并联谐振问题。

针对并联谐振问题，当前的阻尼方法主要分为有源阻尼与无源阻尼两种。其中，无源阻尼采用PCC(Point ofCommon Coupling)点并联电阻来阻尼高频谐振，其优点在于实现简单，无需修改PCS内部的硬件和算法，因此稳定性好，但使用电阻来阻尼高频谐波会带来损耗发热，降低系统效率。有源抑制是通过算法来抑制谐波电流，因此其系统效率优于无源抑制，控制系统通过采样LCL滤波电容两端的电压将虚拟电阻引入电流控制环路中，从而抑制PCS并联谐振尖峰。虚拟电阻有源抑制的谐波提取环节和虚拟补偿电流生成环节是分开的，采用低通或高通滤波器进行谐波提取，再由虚拟电阻环节生成补偿电流，因此抑制环节多。

而本发明提出的虚拟RC支路的有源抑制方法利用了RC支路的高通低阻特性将谐波提取环节和虚拟补偿电流生成环节相结合，简化了有源抑制的环节数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种虚拟RC支路的储能PCS多机并联谐振有源抑制方法，该方法有利于提高运行效率，减少抑制环节，简化参数设计。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种虚拟RC支路的储能PCS多机并联谐振有源抑制方法，包括以下步骤：

1)每个开关周期对PCS多机并联系统中交流输出滤波器的滤波电容电压u_c、PCS输出电流i_out和电网电压U_g分别进行采样；

2)将滤波电容电压u_c经过虚拟RC支路作用，相当于经过谐波提取环节与补偿电流生成环节，得到针对高频谐波分量的虚拟补偿电流i_com；

3)将高频虚拟补偿电流i_com与电网电压前馈补偿量U_{g_d}和U_{g_q}、电流前馈解耦补偿量ωLI_d和ωLI_q一起加入输出电流控制环路，得到输出电流控制量U_{s_d}和U_{s_q}；

4)将输出电流控制量U_{s_d}和U_{s_q}经过脉冲宽度调节PWM环节，得到控制开关器件的占空比D，从而实现对输出电流i_out的控制。

进一步地，所述步骤2)中，谐波提取与补偿电流生成的具体实现方法为：将滤波电容电压u_c旋转变换至工频同步旋转坐标系下，再通过设置虚拟RC支路参数，使其只响应高频谐波信号，而不影响基波信号，从而使虚拟RC支路同时具备谐波提取与虚拟补偿电流i_com生成的功能。

进一步地，虚拟RC支路的参数设计方法为：为了保证虚拟RC支路不影响基波，使RC截止频率为十倍的基波频率，再通过观察在RC截止频率固定时虚拟电阻变化对并联谐振的影响，以及通过波特图直观的选取虚拟电阻，保证低频的增益和对高频谐波的抑制。

进一步地，所述步骤3)中，输出电流控制环路采用同步旋转坐标系下的dq解耦控制，其中输出电流环控制器采用PI控制器。

进一步地，由滤波电容电压到虚拟补偿电流的传递函数为：

其中，R、C为虚拟RC支路参数。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种适用于储能系统的弱电网下PCS多机并联谐振滤波电容并联虚拟RC支路的有源抑制方法，该方法利用RC支路的高通低阻特性将谐波提取环节和虚拟补偿电流生成环节相结合，相比于PCC(PointofCommon Coupling)点并联电阻的无源阻尼方案，本发明有着更高的运行效率，而相比于LCL滤波电容并联虚拟电阻的方案，本发明减少了抑制环节，简化了参数设计，实施更加方便。本发明可用于大规模储能电站中的PCS多机并联系统，改善储能电站运行于弱电网下的多机并联谐振问题，具有很强的实用性和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例中大功率储能PCS多机并联系统结构图。

图2是本发明实施例中PCS多机并联系统诺顿等效电路图。

图3是本发明实施例中三台PCS并机时电网阻抗变化对并联谐振影响的幅频特性曲线。

图4是本发明实施例中电网阻抗为0.5mH时并机数对并联谐振影响的幅频特性曲线。

图5是本发明实施例中虚拟RC支路作用下G1传递函数关于虚拟电阻的幅频特性曲线。

图6是本发明实施例中PCS多机并联谐振有源抑制的Matlab\Simulink仿真原理图。

图7是本发明实施例中PCS多机并联谐振虚拟RC支路有源抑制的控制框图。

图8是本发明实施例中PCS多机并联谐振有源抑制的Matlab\Simulink仿真结果。

图9是本发明实施例中Matlab\Simulink仿真PCS输出电流的谐波分析图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示的PCS多机并联简化电路，根据诺顿等效原理将每个PCS与电网等效成一个电流源与一个导纳并联，诺顿等效后的电路如图2所示，为了简化分析电路分析，可利用叠加定理将激励源分成自身输出激励源、其他PCS激励源与电网激励源，并推导其传递函数如下式所示，其中G₁是本机输出U₁对本机电流I₁的传递函数，G₂是他机输出U₂-U_n对本机电流I₁的传递函数，G₃是电网电压U_g对本机电流I₁的传递函数，其中L₁是变换器侧电感，L₂是网侧电感，L_g是电网等效阻抗，n是并联数。

观察以上的传递函数，三个传递函数分母中引起并联谐振点的式子相同，如式4所示：

n((1+L₁Cs²)L_gs)+(L₁+L₂)s+L₁L₂Cs³ (4)

根据式4求得并联谐振点f_res如式5所示，电网阻抗L_g与PCS并机数n都会影响并联谐振。

为了直观的看出电网阻抗与并联数对并联谐振点的影响，分别绘出电网阻抗与并联数单独变化时的幅频特性曲线，图3是PCS并联数为3台时电网阻抗变化对并联谐振影响的幅频特性曲线，图4是电网阻抗为0.5mH时PCS并机数变化对并联谐振影响的幅频特性曲线，可以看到，随着电网阻抗的增加和并联数的增加，LCL滤波器的固有谐振点不发生变化，但是由电网阻抗产生的并联谐振点逐渐向低频移动，这是并联谐振产生的根本原因，因此，单机稳定运行的PCS，其并联系统可能发生谐振失稳。

为了抑制并联谐振问题，本发明通过采样滤波电容两端的电压，再通过虚拟RC支路得到电流补偿分量加入控制环路以抑制并联谐振。式6是电网阻抗带来的并联谐振点加入虚拟RC补偿支路后的表达式，其中，R_vir是虚拟电阻，C_vir是虚拟电容。观察式6，当R_vir趋于无穷大或C_vir趋于无穷小时，即虚拟RC支路等效断路情况时，式6与式5等效。由于式6不存在极点，因此虚拟RC补偿支路的加入消除了极点，即消除了由电网阻抗带来的并联谐振点，从而保证了系统的稳定。

由上述分析可知，虚拟RC支路能够有效的抑制并联谐振，且虚拟RC支路的参数对阻尼效果有较大影响。此时虚拟RC支路的参数按如下步骤进行设计，首先为了保证虚拟RC支路只响应高频谐波，不影响基波，设定RC支路的截止频率f_RC是十倍的基波频率，即500Hz；此时，根据式7所示的RC截止频率公式，令C_vir＝1/2πf_RCR_vir，结合G1传递函数画出在虚拟RC支路作用下的幅频特性曲线与虚拟电阻R_vir的关系如图5所示。

观察图5，可以看到当虚拟电阻参数取值太大时，无法有效的阻尼高频谐波，而当虚拟电阻参数取值太小时，会影响低频的增益。因此应用场合不同时，可以根据实际的并机数、电网阻抗参数、PCS输出LCL滤波器参数，来画出幅频特性曲线关于虚拟电阻的波特图，从而简单直观的找到最优的阻抗参数。

按照上述技术方案，本发明提供的虚拟RC支路的储能PCS多机并联谐振有源抑制方法，包括以下步骤：

1)每个开关周期对PCS多机并联系统中交流输出滤波器的滤波电容电压u_c、PCS输出电流i_out和电网电压U_g分别进行采样。

2)将滤波电容电压u_c经过虚拟RC支路作用，相当于经过谐波提取环节与补偿电流生成环节，得到针对高频谐波分量的虚拟补偿电流i_com。

其中，谐波提取与补偿电流生成的具体实现方法为：将滤波电容电压u_c旋转变换至工频同步旋转坐标系下，再通过设置虚拟RC支路参数，使其只响应高频谐波信号，而不影响基波信号，从而使虚拟RC支路同时具备谐波提取与虚拟补偿电流i_com生成的功能。

3)将高频虚拟补偿电流i_com与电网电压前馈补偿量U_{g_d}和U_{g_q}、电流前馈解耦补偿量ωLI_d和ωLI_q一起加入输出电流控制环路，得到输出电流控制量U_{s_d}和U_{s_q}。

其中，输出电流控制环路采用同步旋转坐标系下的dq解耦控制，其中输出电流环控制器采用PI控制器。

4)将输出电流控制量U_{s_d}和U_{s_q}经过脉冲宽度调节PWM环节，得到控制开关器件的占空比D，从而实现对输出电流i_out的控制。

由滤波电容电压到虚拟补偿电流的传递函数为：

其中，R、C为虚拟RC支路参数。

下面结合附图对本发明的实施方式予以详细说明。

如图1所示的多PCS并联系统，由于建设时采用相同型号的PCS，因此PCS的参数可近似认为是相同的，各PCS的输出通过PCC(Point of Common Coupling)点进行相互连接，这里举例的PCS采用同步旋转坐标系下的dq解耦控制，PCS通过接收上级调度系统的有功、无功指令，来设定自身直轴、交轴电流参考值。其中，PCS的参数如表1所示，电网阻抗参数取0.5mH。

表1PCS多机并联系统参数表

按照上述发明内容中所述的方法，画出电网阻抗与并联数单独变化时的幅频特性曲线，如图3、4所示，可以看到这个三机并联系统存在多机并联谐振问题，由式5可计算得，如表一所示的参数下，其并联谐振频率为1812Hz。

为了更好说明本发明的具体实施方式，在Matlab/Simulink仿真平台建立仿真模型，参数如表一所示，仿真原理图如图6所示，是一个三机并联系统。为了抑制并联谐振问题，PCS采样电容电压，并将电容电压经过虚拟RC支路生成电流补偿分量，仿真中虚拟RC支路通过传递函数的方式来实现，具体控制框图如图7所示，系统首先采样电网电压U_g并对其进行锁相得到空间电压矢量的相位角，基于空间电压相位角可对变换器侧电感电流i_out与滤波电容电压u_c进行旋转变换得到同步旋转坐表系下的电感电流分量I_d与I_q，电容电压分量u_{c_d}与u_{c_q}，对电感电流I_d与I_q进行闭环控制，其中控制器采用PI控制器，电容电压分量u_{c_d}与u_{c_q}经过虚拟RC支路的作用后得到电流补偿量i_{d_com}与i_{q_com}，并将其与电网电压前馈量U_{g_d}与U_{g_q}，电流前馈解耦项ωLI_d与ωLI_q一起加入控制环路，得到控制量U_{s_d}与U_{s_q}并将其通过PWM环节后得到控制开关器件的占空比D。

而此时虚拟RC支路的参数按如下步骤进行设计，首先为了保证虚拟RC支路只响应高频谐波分量，不影响基波，设定RC支路的截止频率f_RC是十倍的电网50Hz基波频率，即500Hz；此时，可根据式7所示的RC截止谐振公式，令C_vir＝1/2πf_RCR_vir，由图5在虚拟RC支路作用下的幅频特性曲线与虚拟电阻R_vir的关系可得，当虚拟电阻参数取值太大时，无法有效的阻尼高频谐波，而当虚拟电阻参数取值太小时，会影响低频的增益，综合考虑高频谐波抑制与低频增益，选择虚拟电阻参数为10欧姆。

PCS并联系统以额定负载36kW启动，工作于逆变状态。其PCC点电压与单台PCS输出电流如图8所示。

在t＝0.04s时加入干扰信号，由仿真结果可看到，PCC点电压发生畸变，PCS输出电流发生严重畸变，其电流THD为8.84％，无法满足并网电流谐波要求。

在t＝0.08s时加入有源阻尼补偿，电流谐振受到了有效抑制，并网电流质量得到了提升。

对加入有源阻尼前后的PCS输出电流进行FFT(Fast Fourier Transform)分析，图9为FFT分析结果。可以看到，未加入有源阻尼前，单台PCS输出电流在36次谐波(1800Hz)处谐振，与式五的计算结果1812Hz相同。而加入有源阻尼后，其总电流THD为1.68％<5％,满足并网电流谐波标准。其并联谐振点处的电流谐波远小于有源阻尼前，有源阻尼取得了良好的效果，仿真验证了虚拟RC支路有源抑制方法和参数设计的正确性和有效性。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种虚拟RC支路的储能PCS多机并联谐振有源抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)每个开关周期对PCS多机并联系统中交流输出滤波器的滤波电容电压u_c、PCS输出电流i_out和电网电压U_g分别进行采样；

2)将滤波电容电压u_c经过虚拟RC支路作用，相当于经过谐波提取环节与补偿电流生成环节，得到针对高频谐波分量的虚拟补偿电流i_com；

3)将高频虚拟补偿电流i_com与电网电压前馈补偿量U_{g_d}和U_{g_q}、电流前馈解耦补偿量ωLI_d和ωLI_q一起加入输出电流控制环路，得到输出电流控制量U_{s_d}和U_{s_q}；

4)将输出电流控制量U_{s_d}和U_{s_q}经过脉冲宽度调节PWM环节，得到控制开关器件的占空比D，从而实现对输出电流i_out的控制。

2.根据权利要求1中所述的虚拟RC支路的储能PCS多机并联谐振有源抑制方法，其特征在于，所述步骤2)中，谐波提取与补偿电流生成的具体实现方法为：将滤波电容电压u_c旋转变换至工频同步旋转坐标系下，再通过设置虚拟RC支路参数，使其只响应高频谐波信号，而不影响基波信号，从而使虚拟RC支路同时具备谐波提取与虚拟补偿电流i_com生成的功能。

3.根据权利要求2中所述的虚拟RC支路的储能PCS多机并联谐振有源抑制方法，其特征在于，虚拟RC支路的参数设计方法为：为了保证虚拟RC支路不影响基波，使RC截止频率为十倍的基波频率，再通过观察在RC截止频率固定时虚拟电阻变化对并联谐振的影响，以及通过波特图直观的选取虚拟电阻，保证低频的增益和对高频谐波的抑制。

4.根据权利要求1中所述的虚拟RC支路的储能PCS多机并联谐振有源抑制方法，其特征在于，所述步骤3)中，输出电流控制环路采用同步旋转坐标系下的dq解耦控制，其中输出电流环控制器采用PI控制器。

5.根据权利要求1中所述的虚拟RC支路的储能PCS多机并联谐振有源抑制方法，其特征在于，由滤波电容电压到虚拟补偿电流的传递函数为：

其中，R、C为虚拟RC支路参数。

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