CN112528584B - 储能变流器的lc滤波器参数可视化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法，包括：S1、绘制电感参数的选取范围；S2、绘制电容参数的选取范围；S3、绘制截止频率参数的选取范围；S4、结合电感、电容、截止频率参数选取范围，进行LC滤波器参数设计；S5、绘制直流侧电压的选取范围；S6、校验LC滤波器参数是否满足设计要求，如果不满足则返回S1重新进行设计，如果满足则执行S7、输出最终的LC滤波器各参数值。本发明采用可视化的方式进行参数设计，通过绘制电感、电容、截止频率参数的可选区域，可以直观地得到参数可选区域和变化趋势，避免了反复试凑，可以同时满足系统截止频率、无功功率、满载电压降落以及四象限运行等多个设计指标。

Description

储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法、电子设备及可读存储介质。

背景技术

由于不可再生能源大量开采利用导致储量降低，导致能源危机和环境污染日益严重。可再生能源例如风能和太阳能绿色环保、清洁无污染，因而得到社会各界广泛关注。然而风力发电和光伏发电存在间歇性和不稳定的特点，大规模并网运行会对电网的稳定运行和负荷调配带来很多问题。

电网储能可以打破传统电网“即发即用”的模式，把发电和用电从时间和空间上分割开来，实现电力的“削峰填谷”，改善电力供需矛盾。随着新能源、智能电网和电动汽车的迅速发展，大规模储能技术在电力系统发电侧、电网侧、用户侧均有较强的应用需求。研究和开发高效、经济的大规模储能技术，成为电力能源可持续发展的关键环节，也是未来能源战略的重要组成部分。

储能变流器作为直流侧电池系统与交流侧电网的接口，实现储能电池与电网双向功率调节以及其他的辅助功能，是整个储能系统的核心与关键组成部分。然而经过三相电压源脉冲宽度调制后输出的方波中含有高次谐波，必须要加以滤波后才能并入电网或者连接负荷。通常储能变流器输出连接LC滤波器，这是由于其简单可靠，滤波效果较好。

中国发明专利CN 109842153 A于2019年6月公布的《提高电网阻抗适应性的LCL参数和控制参数设计方法及装置》，提出一种滤波器设计方法，通过解析式计算得到截止频率和谐振频率等系数，推导出滤波器参数。但是采用解析式的方法需要结合多个条件进行计算，不可避免需要反复试凑，而且无法直观地表示参数变化过程和变化趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法、电子设备及可读存储介质，主要应用于电压源型变流器运行场景，以解决现有技术中解析式方法推导出滤波器参数需要反复试凑、无法直观表示参数变化过程和变化趋势的问题。

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法，包括：

S1、根据电感上限值和下限值，在直角坐标系中绘制电感参数的选取区域；

S2、根据电容上限值，在电容、电感直角坐标系中绘制电感、电容参数的选取区域；

S3、根据所述电感、电容参数的选取区域，在电容、电感、截止频率三维坐标系中绘制截止频率变化三维图，并根据截止频率上限值和下限值，绘制截止频率参数的选取区域；

S4、综合电感、电容、截止频率参数选取范围，进行LC滤波器参数设计，选取一组LC滤波器参数值；

S5、根据选取的一组LC滤波器参数值，在直角坐标系中绘制直流侧电压变化曲线，并根据直流侧电压的下限值绘制直流侧电压参数的选取范围；

S6、校验S4中选取的LC滤波器参数值是否满足电感纹波、电容无功功率占比、截止频率、直流侧电压四个方面要求；如果满足，则执行步骤S7，如果不满足，则返回步骤S1；

S7、输出选取的一组LC滤波器参数值。

进一步的，在上述储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法中，根据以下表达式确定电感上限值L_max：

式中，U_i表示储能变流器桥臂侧电压幅值，U_o为输出相电压峰值，

表示功率因数角，ω₁表示系统基波角频率，I_L表示电感电流峰值；

按照以下表达式确定电感下限值L_min：

式中，i_L表示电感电流，f_s表示开关频率，λ_{i_L}表示纹波系数。

进一步的，在上述储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法中，按照以下表达式确定电容上限值C_max：

式中，P表示三相输出功率，f₁表示基波频率，U_o表示输出相电压峰值，λ_c表示滤波电容吸收的基波无功功率所占P的比例。

进一步的，在上述储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法中，按照以下表达式确定截止频率上限值f_max：

f_max＝0.5f_s，式中，f_s为开关频率；

按照以下表达式确定截止频率下限值f_min：

f_min＝10f₁，式中，f₁为基波频率。

进一步的，在上述储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法中，直流侧电压U_dc变化曲线的表达式为：

式中，L表示步骤S3选取的一组LC滤波器参数值中的电感值，ω₁表示系统基波角频率，I_L表示电感电流峰值，U_o表示输出相电压峰值，

表示功率因数角。

进一步的，在上述储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法中，直流侧电压的下限值

时U_dc的值。

进一步的，在上述储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法中，校验条件表达式为：

式中，L、C分别表示选取的一组LC滤波器参数值中的电感值、电容值，U_i表示储能变流器桥臂侧电压幅值，i_L表示电感电流，f_s表示开关频率，λ_{i_L}表示纹波系数，f₁表示基波频率，P表示三相输出功率，λ_c表示滤波电容吸收的基波无功功率所占P的比例，U_dc0表示直流侧电压设计值，U_dcmin表示直流侧电压最小值。

一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上述所述的储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法。

一种可读存储介质，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述所述的储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)采用可视化的方式进行参数设计，可以直观地得到参数可选区域和变化趋势，避免了反复试凑；

2)可以同时满足系统截止频率(滤波能力)、无功功率、满载电压降落、直流母线输出能力以及四象限运行等多个设计指标。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明一实施例提供的储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法的流程图；

图2为储能变流器的LC滤波器单相等效电路图；

图3为电感限值变化曲线以及电感参数可选区域；

图4为电容限值变化曲线以及电感、电容参数可选区域；

图5为截止频率随电感、电容变化三维图；

图6为直流侧电压随功率因数角度的变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图1～6和具体实施方式对本发明提出的储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法、电子设备及可读存储介质作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

本发明的核心思想是采用图解的方式进行参数设计，通过绘制电感、电容、截止频率参数的可选区域，得到满足设计要求的滤波器参数值。具体方法是：步骤1、绘制电感参数的选取范围；步骤2、绘制电容参数的选取范围；步骤3、绘制截止频率参数的选取范围；步骤4、结合电感、电容、截止频率参数选取范围，进行LC滤波器参数设计；步骤5、绘制直流侧电压的选取范围；步骤6、校验LC滤波器参数是否满足设计要求，如果不满足则返回步骤1重新进行设计，如果满足则执行步骤7、输出最终的LC滤波器各参数值。

本发明采用可视化的方式进行参数设计，可以直观地得到参数可选区域和变化趋势，避免了反复试凑，可以同时满足系统截止频率、无功功率、满载电压降落以及四象限运行等多个设计指标。

如图1所示，本发明一实施例提供的一种储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法包括：

S1、根据电感上限值和下限值，在直角坐标系中绘制电感参数的选取区域。

具体的，在已知系统参数的基础上，计算电感上限值和下限值。

电感上限值L_max的表达式为：

式中，U_i表示储能变流器桥臂侧电压幅值，U_o为输出相电压峰值，

表示功率因数角，ω₁表示系统基波角频率，I_L表示电感电流峰值；

电感下限值L_min的表达式为：

式中，i_L表示电感电流，f_s表示开关频率，λ_{i_L}表示纹波系数。

S2、根据电容上限值，在电容、电感直角坐标系中绘制电感、电容参数的选取区域。

具体的，在步骤S1电感可选区域的基础上，根据电容上限值绘制出电容参数可选区域。

电容上限值C_max表达式为：

式中，P为三相输出功率，f₁为基波频率，λ_c滤波电容吸收的基波无功功率所占P的比例。

S3、根据所述电感、电容参数的选取区域，在电容、电感、截止频率三维坐标系中绘制截止频率变化三维图，并根据截止频率上限值和下限值，绘制截止频率参数的选取区域。

具体的，在步骤2得到的电感、电容参数可选区域基础上，绘制截止频率变化三维图，进而根据截止频率上限值和下限值得到截止频率的可选区域。

截止频率与电感、电容的关系式为：

截止频率上限值f_max表达式为：

f_max＝0.5f_s；

截止频率下限值f_min表达式为：

f_min＝10f₁；

S4、综合电感、电容、截止频率参数选取范围，进行LC滤波器参数设计，选取一组LC滤波器参数值。

即在电感、电容、截止频率参数选取范围内，选取一组LC滤波器参数值，包括电感值L和电容值C。

S5、根据选取的一组LC滤波器参数值，在直角坐标系中绘制直流侧电压变化曲线，并根据直流侧电压的下限值绘制直流侧电压参数的选取范围。

直流侧电压U_dc变化曲线的表达式为：

式中，L表示步骤S3选取的一组LC滤波器参数值中的电感值。

直流侧电压的下限值U_dcmin为U_dc的最大值，即

时U_ac的值。

S6、校验S4中选取的LC滤波器参数值是否满足电感纹波、电容无功功率占比、截止频率、直流侧电压四个方面要求；如果满足，则执行步骤S7，如果不满足，则返回步骤S1；

返回步骤S1，更新直流侧电压设计值U_dc0后重新进行LC滤波器参数设计。本领域技术人员可以理解的是，储能变流器桥臂侧电压幅值U_i根据直流侧电压设计值U_dc0计算得到，重新进行设计时，新的U_i使得电感上限值L_max发生变化，进而导致电感参数选取区域发生变化。

S7、输出选取的一组LC滤波器参数值。

校验条件表达式为：

式中，L、C分别表示选取的一组LC滤波器参数值中的电感值、电容值，U_dc0表示直流侧电压设计值。

图2为储能变流器的LC滤波器单相等效电路图，考虑到交流三相系统的对称性，需要将储能变流器出口的交流三相系统转换为等效的单相系统。图2中，i_L为电感电流，u_L为电感压降，i_c为电容电流，i_o为输出相电流，u_o为输出相电压。L为单相等效滤波电感，不论采用星形结构，还是采用三角形结构，均有L＝L₁＝L₂＝L₃；C为单相等效滤波电容，如果采用星形结构，则有C＝C₁＝C₂＝C₃，如果采用三角形结构，则有C＝3×C₁＝3×C₂＝3×C₃。

为了更好地说明本发明所提供的技术方案，下面以一台500kW的储能变流器为例具体说明本发明的实施方式。储能变流器额定功率为500kW，输出线电压有效值为380V，开关频率f_s为3200Hz，基波频率f₁为50Hz，直流侧电压设计值U_dc0为650V。

图3为电感限值变化曲线以及电感参数可选取范围。根据满载电压降落确定电感上限值。从图中可以看出，当功率因数角

时，电感的上限值最小，为0.193mH；当功率因数角

时，电感的上限值最大，为2.03mH。考虑到储能变流器具备四象限运行功能，因此电感的上限值为0.193mH。电感下限值根据电流纹波的最大值来计算，电流纹波系数取值为20％时，电感下限值为0.136mH。因此电感的可选范围为图3中L_min＝0.136mH和L_max＝0.193mH所包围的区域。

图4为电容限值变化曲线以及电感、电容参数可选区域。根据系统无功功率确定电容上限值。由于滤波电容越大，产生的无功功率越大，进而降低了储能变流器的功率变换能力。当设计电容的无功功率不超过5％的系统额定功率时，可以得到电容上限值为91.8μF。因此电容的限值曲线为图4中C_max＝91.8μF。结合电感的限值曲线，得到电感、电容参数的可选区域如图4所示。

图5为截止频率随电感、电容变化三维图。在电感、电容参数可选区域的基础上，得到截止频率变化三维图。结合系统参数可以得到截止频率上限值为1600Hz，下限值为500Hz。因此，图5中的全部参数都满足截止频率下限要求，同时不得超过上限值曲线f_max＝1600Hz。进一步地，综合电感、电容、截止频率参数选取范围，选取LC滤波器参数为L＝0.15mH，C＝80μF，此时截止频率为1450Hz。

图6为直流侧电压随功率因数角度的变化曲线，LC滤波器参数为L＝0.15mH，C＝80μF。从图6可以看出，当功率因数角度

为0°时，直流侧电压为540V；当功率因数角度

为-90°时，直流侧电压最小为455V；当功率因数角度

为90°时，直流侧电压最大为620V。从图中可知，要使得储能变流器能够在四象限满载运行，需要直流侧的电压值不低于图6中的最大值，也即不低于620V。

针对选取的LC滤波器参数进行校验，如下式所示，可以计算得到此时电感纹波系数为18.19％，电容无功功率占比为4.35％，截止频率为1450Hz，直流侧电压设计值为650V，完全符合校验条件的要求。因此，最终输出的LC滤波器各参数值为：电感选择0.15mH，电容选择80μF。

基于同一发明构思，本发明还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上文所述的储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法。

所述处理器在一些实施例中可以是中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、控制器、微控制器、微处理器(例如GPU(Graphics Processing Unit-图形处理器))、或其他数据处理芯片。该处理器通常用于控制所述电子设备的总体操作。本实施例中，所述处理器用于运行所述存储器中存储的程序代码或者处理数据，例如运行储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法的程序代码。

所述存储器至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中，所述存储器可以是所述电子设备的内部存储单元，例如该电子设备的硬盘或内存。在另一些实施例中，所述存储器也可以是所述电子设备的外部存储设备，例如该电子设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(FlashCard)等。当然，所述存储器还可以既包括所述电子设备的内部存储单元也包括其外部存储设备。本实施例中，所述存储器通常用于存储安装于所述电子设备的操作方法和各类应用软件，例如储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法的程序代码等。此外，所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。

基于同一发明构思，本实施例还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述的储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法。

综上所述，本发明提供一种储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法、电子设备及存储介质，采用可视化的方式进行参数设计，可以直观地得到参数可选区域和变化趋势，避免了反复试凑；可以同时满足系统截止频率(滤波能力)、无功功率、满载电压降落、直流母线输出能力以及四象限运行等多个设计指标。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法，其特征在于，包括：

S1、根据电感上限值和下限值，在直角坐标系中绘制电感参数的选取区域；

S2、根据电容上限值，在电容、电感直角坐标系中绘制电感、电容参数的选取区域；

S3、根据所述电感、电容参数的选取区域，在电容、电感、截止频率三维坐标系中绘制截止频率变化三维图，并根据截止频率上限值和下限值，绘制截止频率参数的选取区域；

S4、综合电感、电容、截止频率参数选取范围，进行LC滤波器参数设计，选取一组LC滤波器参数值；

S5、根据选取的一组LC滤波器参数值，在直角坐标系中绘制直流侧电压变化曲线，并根据直流侧电压的下限值绘制直流侧电压参数的选取范围；

S6、校验S4中选取的LC滤波器参数值是否满足电感纹波、电容无功功率占比、截止频率、直流侧电压四个方面要求；如果满足，则执行步骤S7，如果不满足，则返回步骤S1；

S7、输出选取的一组LC滤波器参数值。

2.如权利要求1所述的储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法，其特征在于，根据以下表达式确定电感上限值L_max：

式中，U_i表示储能变流器桥臂侧电压幅值，U_o为输出相电压峰值，

表示功率因数角，ω₁表示系统基波角频率，I_L表示电感电流峰值；

按照以下表达式确定电感下限值L_min：

式中，i_L表示电感电流，f_s表示开关频率，λ_{i_L}表示纹波系数。

3.如权利要求1所述的储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法，其特征在于，按照以下表达式确定电容上限值C_max：

式中，P表示三相输出功率，f₁表示基波频率，U_o表示输出相电压峰值，λ_c表示滤波电容吸收的基波无功功率所占P的比例。

4.如权利要求1所述的储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法，其特征在于，按照以下表达式确定截止频率上限值f_max：

f_max＝0.5f_s，式中，f_s为开关频率；

按照以下表达式确定截止频率下限值f_min：

f_min＝10f₁，式中，f₁为基波频率。

5.如权利要求1所述的储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法，其特征在于，直流侧电压U_dc变化曲线的表达式为：

式中，L表示步骤S3选取的一组LC滤波器参数值中的电感值，ω₁表示系统基波角频率，I_L表示电感电流峰值，U_o表示输出相电压峰值，

表示功率因数角。

6.如权利要求5所述的储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法，其特征在于，直流侧电压的下限值U_dcmin为

时U_dc的值。

7.如权利要求1所述的储能变流器的LC滤波器参数可视化设计方法，其特征在于，校验条件表达式为：

式中，L、C分别表示选取的一组LC滤波器参数值中的电感值、电容值，U_i表示储能变流器桥臂侧电压幅值，i_L表示电感电流，f_s表示开关频率，λ_{i_L}表示纹波系数，f₁表示基波频率，P表示三相输出功率，U_o为输出相电压峰值，λ_c表示滤波电容吸收的基波无功功率所占P的比例，U_dc0表示直流侧电压，U_dcmin表示直流侧电压最小值。

8.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现权利要求1至7中任一项所述的方法。

9.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至7中任一项所述的方法。

Images