CN112671001A - 一种级联h桥型储能statcom的soc均衡控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种级联H桥型储能储能STATCOM的SOC均衡控制方法，首先以链节电流和总电容电压为状态变量，建立状态方程，并离散化得到链节的离散状态方程。然后结合基于有限控制集的模型预测控制，得到所需要输出的电平数Q(k)；再利用SOC排序法对各模块SOC值排序，根据当前周期需要输出的电平数Q(k)以及此时链节电流的方向最终将开关动作分配至各H桥模块，从而实现链节内SOC的均衡控制。此外，通过对各链节等效SOC求平均值，获得各链节SOC均衡控制的指令，再进行闭环控制，使各相链节等效SOC都向总等效SOC靠近，以此实现链节间的SOC均衡控制。本发明在一定程度上解决了储能储能STATCOM中SOC均衡控制问题，提高了储能系统的利用率与使用寿命。

Description

一种级联H桥型储能STATCOM的SOC均衡控制方法
技术领域
本发明涉及STATCOM装备研究领域，特别是一种级联H桥型储能STATCOM的SOC均衡控制方法。
背景技术
STATCOM在应用于HVDC系统换相失败抑制时通常需要较大的无功出力，但STATCOM存在输出电压电流质量受直流侧电容值影响大、无功输出容量受电网电压波动影响大、仅补偿无功功率导致电网电压稳定效果不理想等不足，极大地限制了其在HVDC系统换相失败抑制领域的应用。
储能电池具有能量密度高、自放电小、污染少、循环寿命长的特点。且近年来随电池性能的提高和成本的降低，储能电池已获得较为广泛的应用。通过储能电池可以实现直流侧的稳定，并提供一定的有功储备，而STATCOM则向交流处提供快速动态无功补偿和有功调节储备。储能STATCOM集成储能技术与动态补偿技术，通过储能实现直流侧稳定，STATCOM则向交流处提供快速动态无功补偿和有功调节储备，对于改善交直流混合电网的安全可靠运行具有重要意义。级联H桥型储能STATCOM结构简单，适用于模块化生产，运行维护方便。级联H桥型储能STATCOM在交流电网发生故障或者扰动时提供无功支撑，在正常运行时根据功率指令输出相应有功功率和无功功率，同时，还要实现SOC均衡控制。若不加额外的SOC均衡控制，由于各链节有功功率难以保证完全一致，不同链节的SOC以及同一个链节里的各个子模块SOC难以均衡，亟待突破。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种级联H桥型储能STATCOM的SOC均衡控制方法，解决STATCOM中SOC均衡控制难的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种级联H桥型储能STATCOM的SOC均衡控制策略，首先以链节电流和总电容电压为状态变量，建立状态方程，并离散化得到链节的离散状态方程。然后结合基于有限控制集的模型预测控制，得到所需要输出的电平数Q(k)；再利用SOC排序法对各模块SOC值排序，根据当前周期需要输出的电平数Q(k)以及此时链节电流的方向最终将开关动作分配至各H桥模块，从而实现链节内SOC的均衡控制。此外，通过对各链节等效SOC求平均值，获得各链节SOC均衡控制的指令，再进行闭环控制，使各相链节等效SOC都向总等效SOC靠近，以此实现链节间的SOC均衡控制。本发明在一定程度上解决了储能储能STATCOM中SOC均衡控制问题，提高了储能系统的利用率与使用寿命，使级联H桥型储能STATCOM在交流电网发生故障或者扰动时可更好的提供无功支撑。
本发明解决上述技术问题的技术方案具体包括以下步骤：
1)角形储能STATCOM每相承受系统线电压，各链节之间相互独立，以AB相为例(BC、AC相计算过程与AB相计算过程相同)，由基尔霍夫定理可得：
Figure BDA0002789469920000021
定义H桥模块开关状态Hi为该H桥左桥臂与右桥臂开关状态之差，则Hi为：
Figure BDA0002789469920000022
建立H桥模块直流侧电容电压状态方程为：
Figure BDA0002789469920000023
定义Q为级联变换器开关状态，即各级联H桥开关状态之和：
Q＝H1+H2+…+Hi+…Hn；
AB链节变换器输出电压为：
Figure BDA0002789469920000024
其中，udab为AB链节n个H桥模块电容电压之和。有：
Figure BDA0002789469920000025
Figure BDA0002789469920000031
以链节电流iab和总电容电压Udab为状态变量，建立状态方程，并离散化，得AB链节的离散状态方程为：
Figure BDA0002789469920000032
其中，级联储能STATCOM各相链节损耗用电阻R等效，L为连接电抗器，Ts为采样周期，iab(k+1)、udab(k+1)分别为(k+1)时刻的AB链节电流和AB链节内所有H桥模块电容电压值总和，Q(k)和usab(k)分别为k时刻的链节开关状态和电网电压值。
2)基于有限控制集的模型预测控制，以变换器输出的有限电压矢量构建控制集，每个控制周期里，单个链节输出电压电平数有2n+1个可取值：
Figure BDA0002789469920000033
其中，x∈{ab,bc,ca}。再对电流离散方程超前一步预测，得电流预测值：
Figure BDA0002789469920000034
其中Ts为采样周期，ix(k+2)、ix(k+1)分别为(k+2)、(k+1)时刻的电流预测值，udx(k+1)为(k+1)时刻单个链节n个H桥模块电容电压之和，Q(k+1)和usx(k+1)为(k+1)时刻的链节开关状态和电网电压值。
建立电流控制目标优化函数g为电流指令irefx与预测值之差的绝对值：
Figure BDA0002789469920000035
每个控制周期里循环计算Q(k+1)的2n+1个可取值对应的电流预测值及目标函数值，并进行评估，最终选择使2n+1个g值中最小的Q(k+1)取值作为下个控制周期的最优输出电平。
通过储能电池信息监测管理平台系统读取一个链节内的所有子模块SOC，将得到的n个H桥子模块SOC送入控制器中，并读取由优化模型预测控制计算得到的当前周期需要输出的电平数Q(k)，如果Q(k)＝n或Q(k)＝-n，则所有子模块输出1或者-1，否则将n个SOC值按由小到大的顺序排序。
若Q(k)≥0，则所有H桥模块只工作在1和0状态，若链节电流值ix>0，根据排序结果，则选择SOC最低的|Q(k)|个子模块输出1，而其余子模块输出0，此时链节电流将会给输出状态为1的子模块进行充电，SOC增大；若ix<0，根据排序结果，则选择SOC最高的|Q(k)|个子模块输出1，而其余子模块输出0，此时链节电流将会给输出状态为1的子模块进行放电，SOC减小；若Q(k)<0，则所有H桥模块只工作在-1和0状态，若ix>0，根据排序结果，则选择SOC最高的|Q(k)|个子模块输出-1，而其余子模块输出0，此时链节电流将会对输出状态为-1的子模块放电，SOC减小；若ix<0，根据排序结果，则选择SOC最低的|Q(k)|个子模块输出-1，而其余子模块输出0，此时链节电流将会给输出状态为-1的子模块充电，SOC增大，从而实现链节内模块的SOC均衡。
3)AB相链节的等效SOC可表示为：
Figure BDA0002789469920000041
其中，Sab为AB相链节的等效SOC，n为AB相链节的串联子模块数量。
储能系统总等效SOC为：
Figure BDA0002789469920000042
其中，S为储能系统总等效SOC，Sab为AB相链节的等效SOC，Sbc为BC相链节的等效SOC，Sca为CA相链节的等效SOC。
通过对各链节等效SOC求平均值，得到链节间SOC均衡控制指令，再通过对各相链节等效SOC进行比例闭环控制，即：将链节间SOC均衡控制指令与各相链节等效SOC做差，再将差值乘以比例系数，得到各相链节的相间均衡控制电流指令iabs、ibcs、icas，在将其叠加得最终电流指令上进行电流内环控制，从而使得各相链节等效SOC都向总等效SOC靠近，实现链节间SOC均衡控制。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明在一定程度上解决了储能储能STATCOM中SOC均衡控制问题，提高了储能系统的利用率与使用寿命，使级联H桥型储能STATCOM在交流电网发生故障或者扰动时可更好的提供无功支撑。
附图说明
图1为本发明—角形级联储能STATCOM的拓扑图；
图2为本发明一级联H桥型储能STATCOM SOC均衡控制结构图；
图3为本发明一基于有限控制集的模型预测控制示意图；
图4为本发明一链节内SOC均衡控制流程图；
图5为本发明一链节间SOC均衡控制图。
具体实施方式
图1为本发明角形级联储能STATCOM的拓扑图，采用了角形级联H桥结构，每个链节由n个H桥逆变单元串联而成，形成阶梯波电压，通过滤波电抗L耦合接入变压器低压侧，变压器高压侧则接入受端电网。储能单元通过双向DC/DC变换器并联到H桥逆变单元的直流侧。
图2为本发明一级联H桥型储能STATCOM SOC均衡控制结构图，其中包括相间SOC均衡电流计算、相内SOC均衡控制以及基于有限控制集的模型预测控制。上层电流指令与链节间SOC均衡控制指令相加得最终电流指令，电流内环采用基于有限控制集的模型预测控制，得到链节当前周期需要输出的电平数Q(k)，并送入链节内SOC平衡控制模块，实现SOC均衡控制。
图3为本发明一基于有限控制集的模型预测控制示意图，实施方式如下：
角形储能STATCOM每相承受系统线电压，各链节之间相互独立，以AB相为例，由基尔霍夫定理可得：
Figure BDA0002789469920000051
定义H桥模块开关状态Hi为该H桥左桥臂与右桥臂开关状态之差，则Hi为：
Figure BDA0002789469920000052
建立H桥模块直流侧电容电压状态方程为：
Figure BDA0002789469920000053
定义Q为级联变换器开关状态，即各级联H桥开关状态之和：
Q＝H1+H2+…+Hi+…Hn
AB链节变换器输出电压为：
Figure BDA0002789469920000061
其中，udab为AB链节n个H桥模块电容电压之和。有：
Figure BDA0002789469920000062
Figure BDA0002789469920000063
以链节电流iab和总电容电压Udab为状态变量，建立状态方程，并离散化，得AB链节的离散状态方程为：
Figure BDA0002789469920000064
其中级联储能STATCOM各相链节损耗用电阻R等效，L为连接电抗器，Ts为采样周期，iab(k+1)、udab(k+1)为(k+1)时刻的链节电流和总电容电压值，Q(k)和usab(k)为k时刻的链节开关状态和电网电压值。
基于有限控制集的模型预测控制，以变换器输出的有限电压矢量构建控制集，每个控制周期里，单个链节输出电压电平数有2n+1个可取值：
Figure BDA0002789469920000065
其中，x∈{ab,bc,ca}。再对电流离散方程超前一步预测，得电流预测值：
Figure BDA0002789469920000066
其中Ts为采样周期，ix(k+2)、ix(k+1)分别为(k+2)、(k+1)时刻的电流预测值，udx(k+1)为(k+1)时刻单个链节n个H桥模块电容电压之和，Q(k+1)和usx(k+1)为(k+1)时刻的链节开关状态和电网电压值。
建立电流控制目标优化函数g为电流指令irefx与预测值之差的绝对值：
Figure BDA0002789469920000067
每个控制周期里循环计算Q(k+1)的2n+1个可取值对应的电流预测值及目标函数值，并进行评估，最终选择使2n+1个g值中最小的Q(k+1)取值作为下个控制周期的最优输出电平。
图4为本发明一链节内SOC均衡控制流程图，具体实施过程为：1)通过储能电池信息监测管理平台系统读取一个链节内的所有子模块SOC，将得到的n个H桥子模块SOC送入控制器中，并读取由优化模型预测控制计算得到的当前周期需要输出的电平数Q(k)，如果Q(k)＝n或Q(k)＝-n，则所有子模块输出1或者-1，否则将n个SOC值按由小到大的顺序排序；2)若Q(k)≥0，则所有H桥模块只工作在1和0状态，若链节电流值ix>0，根据排序结果，则选择SOC最低的|Q(k)|个子模块输出1，而其余子模块输出0，此时链节电流将会给输出状态为1的子模块进行充电，SOC增大；若ix<0，根据排序结果，则选择SOC最高的|Q(k)|个子模块输出1，而其余子模块输出0，此时链节电流将会给输出状态为1的子模块进行放电，SOC减小；若Q(k)<0，则所有H桥模块只工作在-1和0状态，若ix>0，根据排序结果，则选择SOC最高的|Q(k)|个子模块输出-1，而其余子模块输出0，此时链节电流将会对输出状态为-1的子模块放电，SOC减小；若ix<0，根据排序结果，则选择SOC最低的|Q(k)|个子模块输出-1，而其余子模块输出0，此时链节电流将会给输出状态为-1的子模块充电，SOC增大，从而实现链节内模块的SOC均衡。
图5为本发明一链节间SOC均衡控制图，具体实施过程为：
AB相链节的等效SOC可表示为：
Figure BDA0002789469920000071
其中，Sab为AB相链节的等效SOC，n为AB相链节的串联子模块数量。
储能系统总等效SOC为：
Figure BDA0002789469920000072
其中，S为储能系统总等效SOC，Sab为AB相链节的等效SOC，Sbc为BC相链节的等效SOC，Sca为CA相链节的等效SOC。再通过对各相链节等效SOC进行闭环控制，使得各相链节等效SOC都向总等效SOC靠近，实现链节间SOC均衡控制。

Claims (4)

1.一种级联H桥型储能STATCOM的SOC均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)以某一链节电流和总电容电压为状态变量，建立状态方程，并离散化得到该链节的离散状态方程；
2)在步骤1)的状态方程基础上，结合基于有限控制集的模型预测控制，得到需要输出的电平数Q(k)；利用SOC排序法对所述链接中的各H桥模块SOC值排序，根据当前周期需要输出的电平数Q(k)以及当前时刻链节电流的方向，将开关动作分配至各H桥模块，实现所述链节内SOC的均衡控制；
3)对各链节等效SOC求平均值，得到链节间SOC均衡控制指令，再通过对各相链节等效SOC进行比例闭环控制，即：将链节间SOC均衡控制指令与各相链节等效SOC分别做差，再将各个差值乘以对应的比例系数，得到各相链节的相间均衡控制电流指令iabs、ibcs、icas，将电流指令iabs、ibcs、icas叠加到最终的电流指令上，进行电流内环控制，从而使得各相链节等效SOC都向总等效SOC靠近，实现链节间SOC均衡控制。
2.根据权利要求1所述的级联H桥型储能STATCOM的SOC均衡控制方法，其特征在于，步骤1)的具体实现过程包括以下步骤：
1)角形储能STATCOM每相承受系统线电压，各链节之间相互独立，由基尔霍夫定理得：
Figure FDA0002789469910000011
其中，uab为AB链节变换器输出电压；
2)定义H桥模块开关状态Hi为该H桥左桥臂与右桥臂开关状态之差，则Hi为：
Figure FDA0002789469910000012
建立第i个H桥模块直流侧电容电压状态方程为：
Figure FDA0002789469910000013
定义Q为级联变换器开关状态，即各级联H桥模块开关状态之和：
Q＝H1+H2+…+Hi+…Hn；
i＝1,2，…，n；
3)AB链节变换器输出电压转换为：
Figure FDA0002789469910000021
其中，udab为AB链节n个H桥模块电容电压之和，有：
Figure FDA0002789469910000022
Figure FDA0002789469910000023
4)以AB链节电流iab和总电容电压Udab为状态变量，建立状态方程，并离散化，得AB链节的离散状态方程为：
Figure FDA0002789469910000024
其中，级联H桥型储能STATCOM各相链节损耗用电阻R等效，L为电抗器电感，Ts为采样周期，iab(k+1)、udab(k+1)分别为(k+1)时刻的AB链节电流和AB链节中所有H桥模块电容电压值总和，Q(k)和usab(k)分别为k时刻的链节开关状态和电网电压值。
3.根据权利要求1所述的级联H桥型储能STATCOM的SOC均衡控制方法，其特征在于，步骤2)的具体实现过程包括以下步骤：
1)基于有限控制集的模型预测控制，以变换器输出的有限电压矢量构建控制集，每个控制周期里，单个链节输出电压电平数有2n+1个取值为：
Figure FDA0002789469910000025
其中，x∈{ab,bc,ca}，对电流离散方程超前一步预测，得电流预测值：
Figure FDA0002789469910000031
其中Ts为采样周期，ix(k+2)、ix(k+1)分别为(k+2)、(k+1)时刻的电流预测值，udx(k+1)为(k+1)时刻单个链节n个H桥模块电容电压之和，Q(k+1)和usx(k+1)分别为(k+1)时刻的链节开关状态和电网电压值；
2)建立电流控制目标优化函数g为电流指令
Figure FDA0002789469910000032
与预测值ix(k+2)之差的绝对值：
Figure FDA0002789469910000033
每个控制周期里循环计算Q(k+1)的2n+1个可能取值对应的电流预测值及目标函数值，选择使2n+1个g值中最小的Q(k+1)取值；
3)读取一个链节内的所有子模块SOC，将得到的n个H桥模块SOC送入控制器中，并读取由优化模型预测控制计算得到的当前周期需要输出的电平数Q(k)，如果Q(k)＝n或Q(k)＝-n，则所有子模块输出1或者-1，否则将n个SOC值按由小到大的顺序排序；
4)若Q(k)≥0，则所有H桥模块只工作在1和0状态；若链节电流值ix>0，根据排序结果，则选择SOC最低的|Q(k)|个H桥模块输出1，而其余H桥模块输出0，此时链节电流给输出状态为1的子模块进行充电，SOC增大；若ix<0，根据排序结果，则选择SOC最高的|Q(k)|个子模块输出1，而其余子模块输出0，此时链节电流给输出状态为1的子模块进行放电，SOC减小；若Q(k)<0，则所有H桥模块只工作在-1和0状态；若ix>0，根据排序结果，则选择SOC最高的|Q(k)|个H桥模块输出-1，而其余H桥模块输出0，此时链节电流对输出状态为-1的子模块放电，SOC减小；若ix<0，根据排序结果，则选择SOC最低的|Q(k)|个H桥模块输出-1，而其余H桥模块输出0，此时链节电流给输出状态为-1的子模块充电，SOC增大，从而实现链节内模块的SOC均衡。
4.根据权利要求1所述的级联H桥型储能STATCOM的SOC均衡控制方法，其特征在于，步骤3)中，链节间SOC均衡控制指令计算过程包括：
1)AB相链节的等效SOC表示为：
Figure FDA0002789469910000034
其中，Sab为AB相链节的等效SOC，n为AB相链节的串联子模块数量；
2)储能系统总等效SOC为：
Figure FDA0002789469910000041
其中，S为储能系统总等效SOC，即链节间SOC均衡控制指令，Sbc为BC相链节的等效SOC，Sca为CA相链节的等效SOC。
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