CN112350352A - 一种增加储能无功调节速率的方法 - Google Patents

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孙钢虎
兀鹏越
柴琦
王小辉
寇水潮
高峰
姜宁
郭新宇
孙梦瑶
李志鹏
赵俊博
薛磊
贺婷
郭霞
张立松
潘海波
王文强
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Abstract

本发明公开了一种增加储能无功调节速率的方法，包括：建立储能逆变装置电压平衡方程；得到储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型；将数学模型转换为状态方程；得到储能逆变装置时域状态方程；得到k+1时刻d轴、q轴储能逆变装置预测方程；将k+1时刻d轴、q轴储能逆变装置预测方程中k时刻输出控制量展开为时域状态方程；得到储能逆变装置电流控制方程；为了使储能逆变装置控制系统具备无功快速跟踪能力，设置目标函数来提升系统对无功电流调节速率。本发明采用MPC实现储能逆变装置无功功率快速跟踪及大幅度调节，针对储能逆变装置实际模型，建立目标函数，实现无功精确分配与调节。

Description

一种增加储能无功调节速率的方法
技术领域
本发明涉及一种增加储能无功调节速率的方法，该方法采用模型预测控制(MPC)来实现储能逆变装置无功功率快速跟踪及大幅度调节。
背景技术
电网容量不断增加，区域电网结构变的复杂，由光伏、风电等高渗透率分布式电源点组成的微网，由于其低惯性、低阻尼特性，势必会对大电网的频率稳定性造成影响。储能单元作为可以灵活充放电的电源，能够实现在电网中动态吸收、释放能量，且因为其响应快速、控制灵活，在维持电网电压稳定有无可替代的优势。
在储能逆变装置控制系统中，大多采用PQ下垂控制和恒压恒频(V-f)控制。传统下垂控制策略通过模拟传统同步发电机的下垂特性，对逆变装置输出有功-频率、无功-电压进行独立解耦控制。为了实现储能装置快速无功调节，需要对无功控制系统进行改进，实现储能逆变装置输出电流限制和电压支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增加储能无功调节速率的方法，该方法采用MPC实现储能逆变装置无功功率快速跟踪及大幅度调节，针对储能逆变装置实际模型，建立目标函数，实现无功精确分配与调节。
本发明采取如下技术方案来实现的：
一种增加储能无功调节速率的方法，包括以下步骤：
1)建立储能逆变装置电压平衡方程；
2)对步骤1)储能逆变装置电压平衡方程进行Park变换，得到储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型；
3)将步骤2)储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型转换为状态方程；
4)在步骤3)储能逆变装置状态方程中引入采样时间Ts，得到储能逆变装置时域状态方程；
5)对步骤4)得到的储能逆变装置时域状态方程引入步骤3)储能逆变装置状态方程，得到k+1时刻d轴、q轴储能逆变装置预测方程；
6)将步骤5)k+1时刻d轴、q轴储能逆变装置预测方程中k时刻输出控制量展开为时域状态方程；
7)将步骤6)得到的k时刻输出控制量时域状态方程带入步骤5)k+1时刻d轴、q轴储能逆变装置预测方程中，得到储能逆变装置电流控制方程；
8)为了使储能逆变装置控制系统具备无功快速跟踪能力，设置目标函数来提升系统对无功电流调节速率。
本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：建立储能逆变装置电压平衡方程：
Figure BDA0002791149980000021
其中：L表示线路等效电感；Uabc、iabc为储能逆变装置输出交流三相电压、电流；eabc为网侧三相电压；R表示线路等效电阻。
本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：对步骤1)储能逆变装置电压平衡方程进行Park变换，得到储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型：
Figure BDA0002791149980000022
其中：
Figure BDA0002791149980000023
其中，Tabc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度。
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：将步骤2)储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型转换为状态方程：
Figure BDA0002791149980000031
本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：在步骤3)储能逆变装置状态方程中引入采样时间Ts，得到储能逆变装置时域状态方程：
Figure BDA0002791149980000032
本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：对步骤4)得到的储能逆变装置时域状态方程引入步骤3)储能逆变装置状态方程，得到k+1时刻d轴、q轴储能逆变装置预测方程：
Figure BDA0002791149980000033
其中：
Figure BDA0002791149980000034
本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：将步骤5)k+1时刻d轴、q轴储能逆变装置预测方程中k时刻输出控制量Ed(k)和Eq(k)展开为时域状态方程：
Figure BDA0002791149980000035
其中：ΔEd(k)、ΔEq(k)为k时刻控制增量。
本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：将步骤6)得到的k时刻输出控制量时域状态方程带入步骤5)k+1时刻d轴、q轴储能逆变装置预测方程中，得到储能逆变装置电流控制方程：
Figure BDA0002791149980000036
其中：
Figure BDA0002791149980000037
本发明进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法为：为了使储能逆变装置控制系统具备无功快速跟踪能力，设置目标函数：
Figure BDA0002791149980000038
其中：
Figure BDA0002791149980000039
分别为d、q轴电流参考值；id(k+1)、iq(k+1)分别为d、q轴k+1时刻电流预测值；ε1、ε2分别为d轴电流误差、q轴电流误差在优化性能函数中所占的权重；λ1、λ2分别为d轴控制电压变化量、q轴控制电压变化量。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1.本发明提出一种采用MPC的储能逆变装置无功功率控制系统，可以实现储能逆变装置无功功率快速跟踪及大幅度调节。
2.本发明针对储能逆变装置实际模型，建立目标函数，实现无功精确分配与调节。
附图说明
图1为储能逆变装置电路结构图；
图2为两相坐标系下储能逆变装置控制框图；
图3为储能逆变装置MPC无功控制框图。
具体实施方式
下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，根据基尔霍夫电压定律可得：
Figure BDA0002791149980000041
式(1)中：L表示线路等效电感；Uabc、iabc为储能逆变装置输出交流三相电压、电流；eabc为网侧三相电压；R表示线路等效电阻。
如图2所示，对三相坐标系下的数学模型进行Park变换，可以得到储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型为：
Figure BDA0002791149980000042
式(2)中：
Figure BDA0002791149980000043
其中，Tabc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度。储能逆变装置电压方程在dq坐标系下存在交叉耦合项，通常做法是采用前馈解耦控制，将交叉耦合项视为扰动，作为后续电流控制系统中的前馈补偿项。瞬时有功功率P仅与id有关；瞬时无功功率Q仅与iq有关。为了实现功率的解耦控制，只需要控制id和iq即可。
如图3所示，MPC控制是一种进行下一时刻的状态量预测控制，在预测过程中应以目标函数最小为约束条件，不断对电压矢量进行优化，达到电压矢量最优。将该电压矢量与开关状态相对，实现储能逆变装置PWM控制。将式(2)转换为状态方程形式：
Figure BDA0002791149980000051
设采样时间为Ts，则有：
Figure BDA0002791149980000052
对式(3)进行离散化处理并带入式(4)，将dq轴之间的交叉耦合项视为扰动，可以得到k+1时刻d轴、q轴的预测方程：
Figure BDA0002791149980000053
式(5)中：
Figure BDA0002791149980000054
为了表示方便，将k时刻输出控制量Ed(k)和Eq(k)写成：
Figure BDA0002791149980000055
式(6)中：ΔEd(k)、ΔEq(k)为k时刻控制增量。将上式带入式(5)可以得到：
Figure BDA0002791149980000061
式(7)中：
Figure BDA0002791149980000062
根据上述分析，MPC根据k时刻的采样值预测k+1时刻的预测值，电流具有快速跟踪和响应能力。
为了使储能逆变装置控制系统具备无功快速跟踪能力，需要设置目标函数来提升系统对无功电流iq追踪性能。在模型预测电流控制中，目标是下一周期被控量的预测值与该量差值尽可能小，同时控制量也不要过大，影响无功调节精度，基于此本发明所提目标函数为：
Figure BDA0002791149980000063
式中：
Figure BDA0002791149980000064
分别为d、q轴电流参考值；id(k+1)、iq(k+1)分别为d、q轴k+1时刻电流预测值；ε1、ε2分别为d轴电流误差、q轴电流误差在优化性能函数中所占的权重；λ1、λ2分别为d轴控制电压变化量、q轴控制电压变化量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种增加储能无功调节速率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立储能逆变装置电压平衡方程；
2)对步骤1)储能逆变装置电压平衡方程进行Park变换，得到储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型；
3)将步骤2)储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型转换为状态方程；
4)在步骤3)储能逆变装置状态方程中引入采样时间Ts，得到储能逆变装置时域状态方程；
5)对步骤4)得到的储能逆变装置时域状态方程引入步骤3)储能逆变装置状态方程，得到k+1时刻d轴、q轴储能逆变装置预测方程；
6)将步骤5)k+1时刻d轴、q轴储能逆变装置预测方程中k时刻输出控制量展开为时域状态方程；
7)将步骤6)得到的k时刻输出控制量时域状态方程带入步骤5)k+1时刻d轴、q轴储能逆变装置预测方程中，得到储能逆变装置电流控制方程；
8)为了使储能逆变装置控制系统具备无功快速跟踪能力，设置目标函数来提升系统对无功电流调节速率。
2.根据权利要求1所述的一种增加储能无功调节速率的方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法为：建立储能逆变装置电压平衡方程：
Figure FDA0002791149970000011
其中：L表示线路等效电感；Uabc、iabc为储能逆变装置输出交流三相电压、电流；eabc为网侧三相电压；R表示线路等效电阻。
3.根据权利要求2所述的一种增加储能无功调节速率的方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：对步骤1)储能逆变装置电压平衡方程进行Park变换，得到储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型：
Figure FDA0002791149970000021
其中：
Figure FDA0002791149970000022
Figure FDA0002791149970000023
其中，Tabc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度。
4.根据权利要求3所述的一种增加储能无功调节速率的方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：将步骤2)储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型转换为状态方程：
Figure FDA0002791149970000024
5.根据权利要求4所述的一种增加储能无功调节速率的方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：在步骤3)储能逆变装置状态方程中引入采样时间Ts，得到储能逆变装置时域状态方程：
Figure FDA0002791149970000025
6.根据权利要求5所述的一种增加储能无功调节速率的方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：对步骤4)得到的储能逆变装置时域状态方程引入步骤3)储能逆变装置状态方程，得到k+1时刻d轴、q轴储能逆变装置预测方程：
Figure FDA0002791149970000026
其中：
Figure FDA0002791149970000027
7.根据权利要求6所述的一种增加储能无功调节速率的方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：将步骤5)k+1时刻d轴、q轴储能逆变装置预测方程中k时刻输出控制量Ed(k)和Eq(k)展开为时域状态方程：
Figure FDA0002791149970000028
其中：ΔEd(k)、ΔEq(k)为k时刻控制增量。
8.根据权利要求7所述的一种增加储能无功调节速率的方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：将步骤6)得到的k时刻输出控制量时域状态方程带入步骤5)k+1时刻d轴、q轴储能逆变装置预测方程中，得到储能逆变装置电流控制方程：
Figure FDA0002791149970000031
其中：
Figure FDA0002791149970000032
9.根据权利要求8所述的一种增加储能无功调节速率的方法，其特征在于，步骤8)的具体实现方法为：为了使储能逆变装置控制系统具备无功快速跟踪能力，设置目标函数：
Figure FDA0002791149970000033
其中：
Figure FDA0002791149970000034
分别为d、q轴电流参考值；id(k+1)、iq(k+1)分别为d、q轴k+1时刻电流预测值；ε1、ε2分别为d轴电流误差、q轴电流误差在优化性能函数中所占的权重；λ1、λ2分别为d轴控制电压变化量、q轴控制电压变化量。
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